生物扰动对河流沉积物中铊的二次释放作用机制研究

Edogenous pollution release is one of the most important way to causing aquatic environmental pollution. Bioturbation can change the physical properties and the biogeochemistry of the sediment, thus bioturbation can both enchance and decrease the release of contaminants from sediment to water. Although marine scientists have known about bioturbation for decades as a diagenetic process that causes extensive restructuring of near-surface marine sediment deposits, it has received much less study in freshwater riverine systems. On the other hand, the microscopic reaction mechanism of contaminants release during bioturbation process is still not clear. The objective of the present study is therefore to examine to which extent thallium, buried at different depths in the sediment, can be remobilized to the water column due to different types of bioturbation in riverine systems. Further, the effects of the overlying water parameters on the release of thallium in the bioturbation process will also be investigated. High-performance liquid chromatography coupled to inductively coupled plasma mass spectrometry (HPLC-ICP-MS), Raman spectra and other analytical technology will be used to study the microscopic reaction mechanism of thallium release during the bioturbation process.

污染物的内源释放是水体环境污染的一个重要途径。底栖生物的扰动作用可以改变沉积物的物理化学性质和生物地球化学特征，促进或减少污染物从沉积物向水相中的释放。目前对生物扰动条件下海洋沉积物中污染物释放规律的研究较多，但对生物扰动条件下淡水环境（如河流）沉积物中污染物释放规律的研究鲜有报道。此外，对生物扰动过程中的微观反应机制仍不清楚。本研究针对生物扰动条件下污染物在河流沉积物-水界面的微观反应机制研究仍然不足这一问题，以目前较为关注的元素铊为研究对象，在考察河流中不同生物类型对沉积物中铊的二次释放影响基础上，研究生物扰动过程中污染物铊在沉积物中的位置、上覆水中离子强度和天然有机质等因素对铊释放和氧化的影响，并借助HPLC-ICP-MS、拉曼光谱等仪器分析技术，考察铊在沉积物-水界面的形态及微界面过程，试图揭示生物扰动对沉积物中铊的二次释放作用机制，为河流沉积物中铊的风险控制提供科学依据。

本课题立足于底栖生物扰动过程对铊和其它重金属二次释放过程中的关键因素，分析不同类型生物、污染物不同埋藏深度在生物扰动过程中所起的作用，考察生物扰动对活性炭修复重金属污染沉积物的影响。通过对颤蚓、羽摇蚊幼虫和泥鳅28天的生物扰动作用研究发现，在实验初期，释放到上覆水中的溶解态的铊的速度很快，但是14天之后，生物尤其是泥鳅的扰动作用抑制了沉积物中铊向水中的释放，这可能是因为浮游生物的生长使上覆水的pH值升高，这一过程中产生的铁锰氧化物吸附和共沉淀铊导致的。颗粒态和总量铊的含量与颗粒态铁和锰的浓度以及浊度的相关关系也证明了这一推论。另外，浮游细菌可以将Tl(I)氧化为Tl(III)，使一部分的铊转变为Tl(OH)3沉淀，一些浮游生物对铊有较强的生物吸附作用，从而降低上覆水中铊的浓度。本课题同时考察了颤蚓与泥鳅的生物扰动作用对沉积物中铊和其它重金属在三个埋藏深度(1.0-2.0 cm, 4.0-5.0 cm, 8.0-9.0 cm)下的迁移转化过程的影响。沉积物中埋藏在浅层的重金属最易发生迁移 (1.0-2.0 cm > 4.0-5.0 cm > 8.0-9.0 cm)。另外生物扰动对重金属在沉积物中的分布进行了重新分配，且泥鳅的影响较大，这可能是因为泥鳅的埋孔行为为孔隙水的流通提供了更大的通道。生物的扰动作用对埋藏在深度为4cm和8cm的重金属释放到上覆水中的浓度无明显影响，只有埋藏深度为1.0-2.0 cm的处理中，泥鳅组中铊与铜释放至上覆水中的浓度明显高于颤蚓组，且这两组均低于对照组(无生物)，这可能是因为生物的向下扰动作用为重金属的扩散提供了通道，使埋藏在表层的污染物向下移动。粉末活性炭和颗粒活性炭的加入对重金属都有一定的修复效果，其中对铜的修复效果最好，生物扰动作用降低了上覆水中重金属尤其是镉和锌的浓度，说明生物扰动过程中形成的铁锰氧化物对重金属发生了吸附共沉淀作用。但是活性炭尤其是粉末活性炭的加入促进了生物对重金属的生物富集作用，粉末活性炭的加入使生物体内重金属的累积量（与未添加活性炭的处理进行比较）增加了1.2-3.7倍，这可能是由于受试生物摄入了吸附重金属的活性炭，致使受试生物肠胃乃至体内的重金属含量升高，从而降低了生物的成活率。