Thin ferrihydrite sediment capping sequestrates phosphorus experiencing redox conditions in a shallow temperate lacustrine wetland

淺溫帶湖濕地中的薄鐵酸鹽沉積蓋層磷的氧化還原性能研究

來源：Chemosphere-2017, 185 673-680

 

論文摘要

摘要指出，富營養化是全球性的水環境問題。本研究探討了使用合成水鐵礦作為活性覆蓋材料，來封存湖泊沉積物中磷的可行性。研究通過在實驗室反應器中模擬氧化/缺氧交替的條件，評估了不同厚度（0.3 cm, 0.6 cm, 0.9 cm）的水鐵礦覆蓋層對磷釋放的抑制效果，以及對氮、硫、鐵等元素循環的影響。結論表明，即使經歷氧化還原條件的變化，0.6厘米厚（相當于496 g/m2）的水鐵礦覆蓋層也能有效封存磷，且不會造成顯著的鐵溶解風險。

 

研究目的

本研究的主要目的是：

 

驗證有效性：檢驗水鐵礦作為高活性覆蓋材料，用于固定污染沉積物中磷的有效性。

確定最佳厚度：通過不同投加劑量的對比，找到實現磷封存所需的最優覆蓋層厚度。

評估穩定性與風險：通過人為操控氧化還原條件，測試水鐵礦覆蓋層在環境變化下的穩健性（尤其是對磷的持留能力）以及其自身鐵溶出可能帶來的環境風險。

 

探究連帶影響：闡明水鐵礦覆蓋對沉積物-水界面附近氮、硫、碳等關鍵元素分布和轉化的相關影響。

 

研究思路

研究遵循了“野外采樣-實驗室模擬-指標監測-數據分析”的思路：

 

樣本采集：從澳大利亞墨爾本皇家植物園觀賞湖的沉積物高風險區域采集了12個原狀沉積物柱狀樣。

實驗設計：將沉積物柱分為4組（對照組、0.3 cm覆蓋組、0.6 cm覆蓋組、0.9 cm覆蓋組），每組3個重復。在實驗室反應器中進行了為期45天的培養。

環境模擬：在前20天持續曝氣（模擬氧化條件），隨后停止曝氣4天（模擬缺氧條件），之后再恢復曝氣至實驗結束（模擬氧化條件恢復），以檢驗覆蓋層在動態 redox 條件下的性能。

 

數據測量：在培養期間定期監測上覆水體的多項化學指標；培養結束后，使用微電極測量沉積物-水界面的剖面數據，并分析沉積物固相成分。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多個方面的數據，其意義和來源如下：

 

上覆水體化學指標（動態監測）

 

測量指標：溶解氧（DO）、pH、濾過性活性磷（FRP）、銨態氮（NH?）、硝態氮與亞硝態氮（NOx）、總溶解氮（TDN）、二價鐵（Fe(II)）、三價鐵（Fe(III)）、總鐵（TFe）。

研究意義：這些數據直接反映了沉積物向水體的營養鹽釋放通量以及覆蓋層的控制效果。例如，FRP濃度直接體現了磷封存效果；NH?和NOx的動態變化揭示了氮循環過程（如礦化、硝化、反硝化）如何被覆蓋層影響；不同形態鐵的濃度則用于評估水鐵礦覆蓋層在缺氧條件下的溶解風險。

數據來源：

 

FRP數據來自 圖1，顯示所有水鐵礦覆蓋均有效抑制了磷釋放，尤其在缺氧期未出現顯著升高。

 

氮形態數據（NH?, NOx, TDN）來自 圖2，表明覆蓋層促進了銨態氮的釋放但抑制了硝態氮。

 

鐵形態數據（Fe(II), Fe(III), TFe）來自 圖4，表明僅在高劑量（0.9 cm）覆蓋下，缺氧期溶解鐵才有輕微增加，但濃度極低（<0.2 mg/L），無污染風險。

 

 

DO和pH的趨勢見論文附圖S1（補充數據），表明覆蓋層略微降低了pH并影響了溶解氧。

 

沉積物-水界面微環境指標（剖面測量）

 

測量指標：氧氣（O?）和硫化氫（H?S）在界面附近的濃度剖面。這項關鍵數據是使用丹麥Unisense微電極測量的。

研究意義：微電極測量提供了毫米級分辨率的高精度數據，對于理解界面附近的生物地球化學過程至關重要。

 

O?剖面：揭示了氧氣從水體向沉積物中滲透的深度。數據顯示水鐵礦覆蓋層增加了界面附近的氧氣濃度和滲透深度（圖3a），這表明覆蓋層本身可能消耗氧氣，但也可能改變了界面附近的微生物活性，形成了一個更氧化的微環境。

 

 

H?S剖面：反映了硫酸鹽還原活動（一種在嚴格缺氧條件下發生的微生物過程）的強度與位置。出乎意料的是，水鐵礦覆蓋層非但沒有抑制H?S的產生，反而顯著提高了其上覆水和孔隙水中的H?S濃度（圖3b）。這表明覆蓋層可能通過消耗氧氣，使下層沉積物維持更嚴格的缺氧狀態，從而促進了硫酸鹽還原菌的活性。

 

Unisense電極數據的深層解讀：使用Unisense電極測量的O?和H?S剖面數據，其核心研究意義在于它揭示了水鐵礦覆蓋層對沉積物-水界面微觀化學梯度和關鍵微生物過程的深刻影響。它不僅驗證了覆蓋層的存在改變了物理擴散路徑，更重要的是，它發現了覆蓋層可能產生的一個“副作用”——促進了下層沉積物的硫化作用。這一發現僅通過監測上覆水體是無法獲得的，凸顯了高分辨率原位測量技術對于全面評估環境修復技術生態風險的重要性。

 

沉積物固相成分（實驗結束后分析）

 

測量指標：沉積物的總磷（TP）、總氮（TN）、總有機碳（TOC）、總鐵（TFe）。

 

研究意義：用于評估營養元素和鐵在沉積物中的最終歸宿。數據顯示，覆蓋處理后沉積物的TP和TN有所降低，而TFe顯著增加（圖5及附表S2），證實了磷等元素被固定在了沉積物相中。

 

研究結論

 

磷封存有效：水鐵礦作為活性覆蓋材料能有效抑制沉積物磷的釋放，即使在短期缺氧條件下也表現穩定。

最佳厚度：從成本效益考慮，0.6厘米厚（496 g/m2）的水鐵礦覆蓋層是推薦的最佳劑量，能在保證效果的同時避免過量鐵溶出的潛在風險。

對氮循環的影響：覆蓋層促進了沉積物有機氮的礦化（導致上覆水NH?升高）和反硝化過程（導致NOx降低），改變了氮的轉化路徑。

對硫循環的影響：覆蓋層出乎意料地促進了下層沉積物中硫化氫的產生，這可能會對底棲生物產生毒性影響，需要在后續應用中予以關注。

 

環境風險低：在推薦的覆蓋厚度下，水鐵礦自身溶解導致的鐵釋放量極小，不會對水體造成二次污染。

 

綜上所述，本研究證明薄層水鐵礦覆蓋是一種有前景的湖泊內源磷污染控制技術，但同時也通過精密的測量（如Unisense微電極）揭示了對其他元素循環的復雜影響，為技術的實際應用提供了全面的科學依據。