沉积物重金属污染形态与海水酸化背景下释放规律的研究

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随着工业化进步和城市化的发展,水体和沉积物中重金属污染不断加重。当外界因素发生变化时,重金属可能在沉积物和水相之间发生迁移转化,从而引发二次污染。为深入了解海水酸化对沉积物中重金属释放的影响,本文选取马銮湾五个断面,研究在海水pH变化时其沉积物重金属含量及赋存形态的变化;同时本文还对九龙江和马銮湾沉积物中重金属的含量及赋存形态进行了分析测定,运用两种评价体系对其进行了生态风险评价。主要结果如下:  九龙江沉积物中,Co、Pb以可还原态为主;Cd在大部分站位以弱酸提取态为主;Cu残渣态和可氧化态比率相近;Cr、Ni、As以残渣态为主要存在形态。根据重金属总量及形态评价结果可知,Cd整体污染最为严重,在大部分站位有高风险,元素Cu和Co次之,在大多数站位处于中等风险及以上,As的污染最轻,基本处于无污染或轻度污染状态。由综合污染指数来看,B1、B3、B4、B8站位潜在生态风险最高,B2、B9、B10、X1次之,B5、B6、B7、B11、B12、X2、X4存在中度潜在生态风险,X3站位污染程度最轻,对生物产生潜在毒性的可能性最小。  马銮湾表层沉积物中重金属均值大小顺序为:Zn>Cr>Cu>Pb>Ni>As>Cd。对其形态分析表明:Zn、As、Ni和Cr以残渣态为主,在沉积物中相对较稳定;Cd主要存在于弱酸提取态中,外界环境变化时极易释放出来引发二次污染;Pb以可还原态为主,在水体缺氧时易重新释放造成二次污染;Cu元素的弱酸提取态含量最低,其它三种形态分布较为均匀,在氧化还原条件发生变化时产生污染风险较高。风险评价结果显示,Cd较其它元素对研究区域污染严重,As、Ni次之,Cr和Pb的污染相对最轻;M1站位综合污染指数最高,其它站位相对较轻。  研究在海水pH等于8.1、7.7、7.4、7.0、6.5时,沉积物中重金属释放率及形态变化发现:沉积物中重金属总量随着酸化时间增加而降低,且pH越低,降低趋势越明显;重金属各形态在酸化初期(0~3 d)变化较大,之后波动减小,趋向动态平衡;不同重金属的形态变化规律也不一致,从有效态比率变化分析,Cr、Ni和Cu三种元素的有效态比率随时间呈上升趋势,As和Cd则经历了升高-降低-再升高的动态平衡过程;pH不同时,重金属的释放率也不同,但变化规律相似,总体上呈现随时间升高-降低-再升高的变化趋势;海水中各重金属浓度变化规律一致:开始阶段海水中重金属浓度升高,到中期阶段受海水氧化还原环境影响浓度有所降低,之后重金属浓度再次升高,并趋于稳定。  通过研究不同沉积物中重金属在海水pH为7.4时释放率及形态变化发现:所有元素的残渣态均呈下降趋势,Cr、Ni和As的可还原态比率随酸化时间增加而逐渐上升,Cd的弱酸提取态上升趋势明显;沉积物中重金属在酸化条件下的形态变化与其本底值大小有关,但同种重金属在不同沉积物中的有效态比率变化规律一致,且沉积物中重金属总量或残渣态比率越高,酸化时有效态比率升高更显著。在上覆海水中,重金属释放浓度受pH及底泥中重金属本底值等共同影响:Cr和Cu的释放与pH有关,不同pH下其最大释放浓度差别较大;Ni和As主要受到沉积物重金属本底值影响,其在上覆水中的浓度变化趋势与底泥中浓度大小呈正相关,且实验后期(8~14 d)As在海水中的浓度趋于平衡;Cd与As的变化趋势相似,但在个别站位(M1)波动较大。  研究结果表明:九龙江和马銮湾均受到一定程度的重金属污染,在海水pH降低时,沉积物中重金属不稳态比率上升,进而有可能释放到上覆水体中,引发二次污染的风险。
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