Tungsten migration and transformation characteristics in lake sediments under changing habitats from algae to macrophytes  

從藻類到水生植物的生境變化下湖泊沉積物中鎢的遷移和轉(zhuǎn)化特征  

來(lái)源：Journal of Hazardous Materials  

《危險(xiǎn)材料雜志》  

 

摘要內(nèi)容  

該研究探討了不同生境（藻類主導(dǎo)區(qū)與水生植物主導(dǎo)區(qū)）下湖泊沉積物中鎢（W）的遷移特性。發(fā)現(xiàn)藻類主導(dǎo)區(qū)的孔隙水中溶解態(tài)鎢的濃度和釋放通量顯著高于水生植物區(qū)，原因是藻源溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）與鎢競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，同時(shí)DOM促進(jìn)鐵（Fe）/錳（Mn）氧化物的還原溶解，導(dǎo)致鎢釋放。水生植物通過(guò)吸收鎢和原位形成Fe(III)/Mn(IV)氧化物抑制鎢釋放。結(jié)論指出，水生植物能有效控制沉積物中鎢的釋放。  

 

研究目的  

評(píng)估不同生境（藻類和水生植物）對(duì)湖泊沉積物中鎢遷移行為的影響，揭示鐵錳氧化還原過(guò)程及DOM在鎢釋放中的作用機(jī)制，為淺水湖泊鎢污染控制提供科學(xué)依據(jù)。  

 

研究思路  

選擇中國(guó)陽(yáng)澄湖不同生境區(qū)域（藻類區(qū)和水生植物區(qū)）的13個(gè)采樣點(diǎn)。  

 

使用高分辨率孔隙水采樣裝置（HR-Peeper）獲取沉積物孔隙水中溶解態(tài)W、Fe(II)、Mn的垂直分布（圖3、圖6）。  

 

 

 

結(jié)合微電極（丹麥Unisense）原位測(cè)定沉積物pH和溶解氧（DO）（圖2），分析氧化還原條件。  

 

 

通過(guò)連續(xù)提取法分析沉積物中鎢的化學(xué)形態(tài)（圖5、表1）。  

 

 

 

結(jié)合硫酸鹽濃度（圖2）和相關(guān)性分析，探討DOM、Fe/Mn氧化物對(duì)鎢遷移的影響機(jī)制。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及意義  

pH和DO（圖2）：  

藻類區(qū)上覆水和沉積物的DO濃度（88.42–156.10 μmol/L）略高于水生植物區(qū)（55.58–95.52 μmol/L），說(shuō)明藻類光合作用增氧但死亡后導(dǎo)致缺氧。  

 

所有區(qū)域pH呈弱堿性（7.33–8.14），利于鎢以WO?2?形態(tài)存在。  

溶解態(tài)W、Fe(II)、Mn（圖3、圖6）：  

 

 

藻類區(qū)的溶解態(tài)W濃度（3.54–8.75 μg/L）顯著高于水生植物區(qū)（0.56–1.92 μg/L）。  

 

藻類區(qū)的Mn濃度（2.60–5.04 mg/L）高于植物區(qū)（0.94–3.65 mg/L），F(xiàn)e(II)則相反（藻類區(qū)1.19–2.52 mg/L vs. 植物區(qū)2.14–6.18 mg/L），表明Fe/Mn氧化物還原溶解促進(jìn)W釋放。  

W化學(xué)形態(tài)（圖5、表1）：  

 

藻類區(qū)殘?jiān)鼞B(tài)（F5）占比（42.61%）低于植物區(qū)（59.71%），而Fe/Mn結(jié)合態(tài)（F3+F4）更高（55.72% vs. 38.69%），說(shuō)明藻類區(qū)W更易釋放。  

硫酸鹽濃度（圖2）：  

 

藻類區(qū)硫酸鹽還原促進(jìn)Fe(II)與S2?形成硫化鐵沉淀，降低Fe(II)濃度，但Mn因硫化錳不穩(wěn)定仍保持較高溶解態(tài)。  

 

結(jié)論  

藻類區(qū)沉積物中W釋放風(fēng)險(xiǎn)更高，DOM競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)和Fe/Mn氧化物還原溶解是主因。  

 

水生植物通過(guò)吸收W和根際氧化形成Fe/Mn氧化物，抑制W釋放。  

 

控制藻類暴發(fā)并恢復(fù)水生植物是控制湖泊沉積物W釋放的有效措施。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的意義  

使用Unisense微電極原位高分辨率測(cè)定沉積物pH和DO，具有以下研究?jī)r(jià)值：  

揭示氧化還原微界面：DO的垂向分布（圖2）顯示藻類區(qū)表層因光合作用富氧，但深層因藻類降解耗氧，導(dǎo)致Fe/Mn氧化物還原溶解，直接關(guān)聯(lián)W釋放。  

 

解析Fe/Mn循環(huán)機(jī)制：DO濃度與Fe(II)、Mn的負(fù)相關(guān)性（藻類區(qū)DO高但Fe(II)低，植物區(qū)DO低但Fe(II)高）表明，植物根際分泌氧氣促進(jìn)Fe(II)/Mn(II)氧化為Fe(III)/Mn(IV)氧化物，增強(qiáng)對(duì)W的吸附固定。  

 

支撐模型構(gòu)建：pH和DO數(shù)據(jù)為解釋鎢形態(tài)轉(zhuǎn)化（如WO?2?在堿性條件下的穩(wěn)定性）和釋放通量計(jì)算（基于Fick定律）提供了關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。