藻源性黑水团环境效应:对水-沉积物界面氮磷变化的驱动作用

利用自制的静态模拟实验装置,通过连续抽取间隙水来研究藻细胞沉降在沉积物表面后对水-沉积物界面处的N、P变化的驱动作用及影响效果.结果表明,藻细胞沉降后,在50 min内就完全消耗掉水-沉积物界面处的溶解氧,同时水体出现严重的发黑、发臭现象;形成的厌氧、强还原环境,使得死亡的藻细胞在界面处发生强烈的厌氧矿化作用,界面处的水溶性PO34--P、NH 4+-N在实验的第2 d开始向上覆水中扩散,含量不断增加.至实验结束时(实验第8 d),界面处PO34--P、NH 4+-N的含量分别达到4.00 mg/L、39.45 mg/L,分别为同期对照实验样柱中的10倍和241倍(对照样柱中的PO43--P、NH 4+-N的含量分别为0.42 mg/L、0.16 mg/L).藻细胞的厌氧矿化加剧了氮磷营养盐向上覆水的扩散,在加重水体营养盐含量的同时,也为藻华的再次发生提供了物质基础.     

藻源性黑水团环境效应Ⅲ:对水-沉积物界面处Fe-S-P循环的影响

利用静态模拟实验装置研究了藻源性黑水团发生过程中沉积物表层上覆水和沉积物间隙水中Fe-S-P的变化过程.结果表明:加入藻细胞后很快形成厌氧、还原环境,使得沉积物中Fe-S-P发生强烈的生物地球化学变化;实验第1d,表层上覆水中的Fe2+、SO42-、S2-含量高达4.993,242.0,387.57mg/L,为对照样柱中的1.8倍、2.2倍和18.8倍;在沉积物4cm处其浓度分别为8.5,40.0,65.3mg/L.随后,沉积物表层上覆水中Fe2+、S2-含量表现出一个先快速增加、随后降低的趋势,其浓度分别在实验的第3,2d达到最大值为11.1,634.6mg/L. 沉积物中PO43--P浓度受Fe-P解析等具有滞后性,从实验的第2d后开始直至实验结束时表现为其含量持续增加,到实验结束时其浓度为39.450mg/L,为对照样柱中的242倍.上覆水和间隙水中Fe-S-P含量的变化,反映了藻华聚集形成的厌氧环境中发生了剧烈的生物地球化学反应,从而使得沉积物中形成的Fe2+、S2- 和 PO43--P不断向上覆水体中扩散,对形成黑水团的水体生态系统的恢复造成阻碍和不良影响.     

阿哈水库沉积物-水界面磷、铁、硫高分辨率空间分布特征

选取贵州典型高原亚深水型湖库阿哈水库为研究对象,利用薄膜扩散梯度技术获取夏季分层期不同湖区沉积物-水界面磷、铁、硫的原位、二维高分辨分布信息,并结合水化学及沉积物磷形态分析,探讨了沉积物P-Fe-S分布规律及控制因素.结果表明:沉积物-水界面DGT-P的浓度变化范围0.00~0.43 mg·L~(-1),DGT-Fe的浓度变化范围0.00~2.83 mg·L~(-1),DGT-S的浓度变化范围0.00~0.10 mg·L~(-1).阿哈水库沉积物孔隙水磷、铁、硫浓度在垂向分布上没有显著的相关性,DGT-P、DGT-Fe甚至还呈反向变化,这与很多湖泊的研究结果存在明显差异,其原因可能是阿哈水库沉积物具有很高的Fe/P和Fe/S比值,过剩的Fe导致还原态S以FeS/FeS_2形式沉淀后,P仍然被Fe(Ⅲ)固定在沉积物中.阿哈水库沉积物磷形态以Na OH-SRP和BD-P为主,Na OH-SRP含量变化范围为192~604 mg·kg~(-1),平均值约为392 mg·kg~(-1),BD-P含量变化范围为143~524mg·kg~(-1),平均值约为225 mg·kg~(-1).阿哈水库底层水体长期处于厌氧环境,Fe、S地球化学循环对沉积物内源磷释放起着重要控制作用.     

模拟Fe (III)和盐水输入对闽江河口潮汐湿地沉积物及间隙水Fe和S含量和形态的影响

河口潮汐湿地沉积物电子受体和盐度的变化将对间隙水、沉积物的地球化学参数及有机碳厌氧矿化途径产生重要影响.本研究于闽江河口塔礁洲淡水野慈姑(Sagittaria trifolia L.)湿地原位施加人造海水及Fe(III)溶液,模拟研究了盐水入侵及径流Fe(III)浓度增强对河口潮汐湿地沉积物、间隙水的地球化学参数(溶解性CH4、DOC、DOC∶DON、Fe2+和ΔSO2-4)和沉积物各形态固相铁(非硫Fe(II)、无定形Fe(III)、晶质Fe(III)、Fe S和Fe S2)含量的影响.结果表明,模拟盐水入侵及径流Fe(III)浓度增强均可降低间隙水溶解性CH4和DOC浓度,径流Fe(III)浓度增强增加了非硫Fe(II)和晶质Fe(III)含量,盐水入侵可减小间隙水ΔSO2-4含量.间隙水ΔSO2-4与DOC、DOC∶DON、溶解性CH4及Fe2+浓度相关.模拟盐水入侵及径流Fe(III)浓度增强可分别促进硫酸盐异化还原和铁异化还原速率,同时减小间隙水CH4浓度,改变河口潮汐湿地土壤有机质厌氧矿化优势途径.     

南方泛黑水库Fe、Mn及硫化物的迁移规律研究:以南宁天雹水库为例

Fe和Mn是氧化还原敏感元素，厌氧与有氧均会造成Fe、Mn及硫化物沉积物释放和形态转化，导致水质恶化，目前鲜有研究将泛黑与Fe、Mn及硫化物迁移规律耦合。选取广西壮族自治区南宁天雹水库为研究对象，于2018年3-12月对水库不同深度进行采样，分析水库水质的季节性变化特征以及对Fe、Mn、硫化物迁移转化规律的影响。结果表明:热分层结构主要受气温变化影响，分层期温跃层形成导致垂向理化性质差异，形成底部低温厌氧环境。独特的红土壤结构使Fe和Mn具有更强的内源释放能力，在降雨冲刷及长期厌氧影响下Fe和Mn底层大量释放，浓度达到0.76，1.47 mg/L，高浓度Fe抑制了硫化物释放（0.005 mg/L）。泛黑期分层破坏引发垂向对流混合，复氧使Fe、Mn及硫化物形态转化，向上迁移同步产生FeS、MnS等致黑物质，触发表层产生泛黑现象，后续开展黑水触发机制与物质甄别研究是解决泛黑问题的关键。     

周村水库沉积物污染物释放潜力模拟

通过实验室静态模拟山东省枣庄市周村水库沉积物污染物在冬季(t=4℃)与夏季(t=10℃)的释放情况,分析周村水库沉积物中氮、磷、铁、锰等污染物释放的潜力。由于周村水库內源污染严重,上覆水体DO在t=4℃与t=10℃的消耗速率分别为1.6、1.9mg(/m2·d);当DO<2 mg/L时,上覆水体中NH3-N浓度便开始上升,在t=4℃与t=10℃,沉积物中NH3-N的释放速率分别为18.9、19.9mg(/m2·d),其浓度在相应条件下达到6.09、6.89 mg/L;DO<1 mg/L时,沉积物中磷开始释放,t=4℃与t=10℃时,TP的释放速率分别为18.9、19.2 mg(/m2·d),其浓度在相应条件下达到0.25、0.51 mg/L;当DO<1 mg/L时,沉积物中Fe2+与Mn2+均开始释放,t=4℃时,Fe2+、Mn2+释放速率分别为0.35、0.49 mg(/m2·d),相应指标浓度达到0.82、1.39 mg/L,t=10℃时,Fe2+、Mn2+释放速率分别为0.38、1.03 mg(/m2·d),相应指标浓度达到0.82、1.52 mg/L。     

硫酸盐在厌氧生物过程中的行为 Ⅱ.硫酸盐还原行为及对体系抑制作用机理

采用半连续实验方法,研究了中温厌氧条件下硫酸盐的还原行为及产生抑制作用的机理.实验结果表明,SO_4~(2-)在厌氧体系中被硫酸盐还原菌(SRB)全部或部分还原为硫化物,其还原率与SO_4~(2-)累积加入浓度有关.还原产物的形态与体系中pH值有关,较高的pH值(7.6—8.4)使体系中H_3S含量下降.SO_4~(2-)对厌氧体系的抑制与SO_4~(2-)还原过程中SRB与产甲烷菌(MRB)的底物竞争及还原产物的毒性相关.前者受COD/SO_4~(2-)比值的影响,比值大于7,对厌氧体系只产生轻度抑制作用.而后者与沼气中H_2S含量有直接关系,沼气中H_3S含量小于40mg/L时,基本不产生抑制作用.     

沉降除藻协同沉积物覆盖对藻华水体甲烷释放的影响

本研究以藻华水体甲烷释放为对象,利用模拟柱培养实验,探究了沉降除藻和沉积物覆盖复合技术对富营养化甲烷释放的影响.结果表明,沉降除藻结合沉积物覆盖处理可有效改善水环境,实现对甲烷释放的控制,但不同覆盖材料的效果存在差异;活性炭效果要优于土壤和沸石.相比于对照体系水体溶解氧(DO)2. 5 mg·L-1和氧化还原电位(ORP)100 m V,沉积物界面ORP -125 m V,沉降除藻协同活性炭覆盖体系中水体DO和ORP分别升高至3. 1 mg·L-1和174 m V,沉积物界面ORP逆转为168 m V,实验期间甲烷释放量相对于对照组减少90. 2%.研究结果在富营养水体甲烷减排方面具有指导性意义.     

N、P、Mn和Fe对链状裸甲藻生长和产毒的影响

为了解营养盐因子对链状裸甲藻(Gymnodinium catenatum(香港株))的生长和产毒的影响,本文采用单因子实验方法,研究在不同N、P、Mn和Fe浓度条件下,链状裸甲藻生长和产毒情况。结果表明,在N浓度低于300.00 mg/L和P浓度低于20.00 mg/L的范围内,链状裸甲藻的对数生长期和最高细胞数随N、P浓度的增加而升高,对数生长期可达64 d以上,最高细胞数达5.01×103/mL,Mn对链状裸甲藻生长的影响不明显,高浓度Fe和低浓度Fe均不利于链状裸甲藻的生长,最适Fe浓度为3.15 mg/L左右。链状裸甲藻产生的的麻痹性贝类毒素主要成分为C毒素(C1-2)、GTX5(B1)、dcGTX2-3和dcSTX,以低毒性的C毒素和GTX5为主。N、P、Mn和Fe浓度对链状裸甲藻所产毒素的成分种类没有影响,但可影响产毒量及各毒素成分的比例;藻细胞最高产毒量为3.3 pg STX Equal/cell,最低为0.9 pg STX Equal/cell,低P和低Mn有利于藻细胞产毒,高毒力的dcSTX在毒素中的比例也较高。     

海洋沉积物中一株铁还原细菌ZQ21异化还原Fe(Ⅲ)性质分析

取渤海沉积物进行厌氧培养,富集异化铁还原细菌。采用三层平板法筛选出一株高效异化铁还原细菌ZQ21。经鉴定,该菌株为Enterococcus sp.ZQ21（GenBank号MF192756）。设置不同电子供体、电子受体和电子传递体浓度,分析菌株ZQ21异化还原Fe（Ⅲ）性质。结果表明,在乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸钠、葡萄糖、丙酮酸钠、乙酸钠和甲酸钠为电子供体时,菌株ZQ21利用丙酮酸钠还原Fe（Ⅲ）效率最高,累积Fe（Ⅱ）浓度达到113.14 ±3.46 mg/L。菌株ZQ21以柠檬酸铁和氢氧化铁为电子受体时,累积Fe（Ⅱ）浓度分别为91.75 ±1.45 mg/L和58.39 ±4.34 mg/L,Fe（Ⅲ）还原效率存在显著差异。在电子受体为氢氧化铁时,添加不同浓度电子传递体蒽醌-2-磺酸钠（AQS）,旨在提高菌株ZQ21的Fe（Ⅲ）还原效率。当AQS浓度为1.50 mmol/L时,菌株ZQ21还原Fe（Ⅲ）效率最高,累积Fe（Ⅱ）浓度达到80.28 ±3.95 mg/L,比对照组提高27%。铁还原细菌ZQ21能够有效利用可溶性以及不溶性电子受体进行异化铁还原,可进一步应用于海洋污染环境中微生物介导的异化Fe（Ⅲ）还原过程。     

太湖竺山湾藻华黑水团区沉积物中Fe、S、P的含量及其形态变化

对因藻华大量聚集死亡而造成水体呈强还原环境(DO=0.14 mg.L-1,Eh=-89.3 mV)的黑水团区中Fe-S-P的生物地球化学变化特征进行研究.结果表明,藻细胞残体的沉降使得黑水区沉积物表层有机质含量显著增加;因藻细胞残体的贡献,沉积物表层中Org-P含量急剧增加(比非黑水区多72 mg.kg-1);受较低Eh的影响,沉积物中与Fe结合的磷出现解析,使得黑水区沉积物中活性铁和PO43--P含量增加,黑水区中沉积物间隙水PO43--P要远高于非黑水团区,表明其有向上覆水释放的趋势;造成沉积物中Fe-P含量比非黑水区中的要低.在强还原条件下沉积物中铁的氧化物呈现出由结晶态向无定形态转化的趋势(Dithio-Fe比非黑水区高达30μmol.g-1),从而使得可供生物利用的活性铁含量增加,这为藻华再次发生提供了有利条件.黑水区表层沉积物中酸可挥发性硫化物(AVS)在初始阶段大量增加,但后期由于形成了H2S气体逸散到水体中其含量反而减少;表层沉积物硫化物含量也呈增加现象(比非黑水区表层沉积物中要高50μmol.g-1).     

南沙群岛海域沉积物环境与间隙水中的铁锰

研究了南沙群岛海域泻湖及礁外沉积物间隙水中的Ｆｅ＾２＋、Ｍｎ＾２＋、浓度及其比值、沉积物－海水界面扩散通量、沉积物类型及其氧化还原环境。结果表明，间隙水中的Ｆｅ＾２＋、Ｍｎ＾２＋浓度泻湖高于礁外，Ｆｅ＾２＋（礁）／Ｆｅ＾２＋（泻）浓度比为０．２８，Ｍｎ＾２＋（礁）／Ｍｎ＾２＋（泻）浓度比为０．６６，Ｍｎ＾２＋／Ｆｅ＾２＋比值泻湖内为１．４７，礁外为３．５２，Ｆｅ＾２＋、Ｍｎ＾２＋均是从沉积物向上覆     

表层沉积物主要矿化组分对Mn(Ⅱ)的吸附特性与贡献

考察表层沉积物中主要矿化组分对Mn(Ⅱ)的吸附特性,能够更清楚地解释Mn(Ⅱ)在沉积物-水界面上的迁移转化机理. 以山东省即墨市王圈水库表层沉积物为例,采用化学选择性萃取方法将表层沉积物的主要矿化组分(Fe氧化物、Mn氧化物、有机质和黏土矿物)进行分离,研究这些矿化组分对Mn(Ⅱ)的吸附特性和贡献. 结果表明,表层沉积物中w(有机质)、w(TE-Fe)和w(TE-Mn)(TE-Fe、TE-Mn分别为总可萃取态Fe、Mn氧化物)分别为16.23、10.12和1.771 mg/g. Langmuir和Freundlich吸附等温方程均能较好地描述表层沉积物及其主要矿化组分吸附Mn(Ⅱ)的过程,Langmuir吸附等温方程拟合效果更好,相关系数达0.95以上. E-Mn、E-Fe(E-Mn、E-Fe分别为可萃取态、锰、铁氧化物)、有机质和黏土矿物对Mn(Ⅱ)的吸附能力分别为77 852.5、38 764.0、17 704.5和44.0 mg/g. 由于各主要矿化组分在表层沉积物中含量的差异,因此有机质的吸附贡献最大,为2.24 mg/g;其次是E-Fe和黏土矿物,分别为1.91和1.22 mg/g;E-Mn为0.62 mg/g.      

底泥翻耕对巢湖西部聚藻区黑臭风险的预控效果

聚藻区高有机负荷表层底泥已被证实是西巢湖黑臭频发的主要因素,但能否借鉴像控制湖泊内源污染的翻耕方式对黑臭进行预控,则有待于与过程有关的试验研究.基于湖泊底泥再悬浮特征和耕作性能设计的底泥翻耕措施,借助能够模拟湖泊风浪与沉积物再悬浮的大型装置,通过藻体堆积诱发试验,研究黑臭诱发过程中上覆水水色,ρ（Fe2+）、ρ（S2-）的动态,新生沉积物-水界面底泥关键物化指标以及底泥间隙水Fe、S变化对底泥翻耕的响应过程.结果表明:①翻耕深度对黑臭影响较大,PT15（15 cm深度的翻耕处理组）达到了对湖泛黑臭的控制,当第8~14天PT2、PT5、PT10（2、5和10 cm翻耕处理组）,CK（对照组）和Blank（空白组）相继发生黑臭时,PT15上覆水主要致黑物质为Fe2+和S2-,其质量浓度分别为PT2、PT5、PT10、CK和Blank的68.6%、79.5%、48.1%、46.7%、51.3%和75.2%、65.7%、57.1%、74.5%、75.0%.②PT15可明显提升新生泥-水界面对蓝藻堆积及缺氧环境的耐受力,黑臭诱导模拟后,其底部水体及泥-水界面的ρ（DO）、E_h和pH均远高于发生湖泛黑臭处理组,ρ（∑H₂S）却明显低于发生湖泛黑臭处理组,表层底泥间隙水中ρ（Fe2+）为0.54 mg/L,仅为发生湖泛黑臭处理组的25.3%~33.7%,ρ（Fe2+）占ρ（TFe）的比例为25.2%,远低于发生湖泛黑臭处理组（约40.0%）,表层底泥中w（AVS）（AVS表示酸可挥发性硫化物）为0.51 μg/g,仅为发生湖泛黑臭处理组的14.6%~17.2%.研究显示,底泥翻耕作为一种底泥物理改良方式,对于聚藻区内底泥,因其将有机污染负荷较重的表层翻转至了下层,阻隔了表层污染底泥中物质迁移供给和对厌氧微生物参与的控制,在藻体大量聚集和死亡的水柱环境中可较好地阻止致黑致臭物的形成,有效控制了湖泛黑臭的发生.      

Distribution of mercury and methylmercury in river water and sediment of typical manganese mining area

Manganese (Mn) ores contain substantial concentrations of mercury (Hg), and mining and smelting of Mn ores can bring Hg into the surrounding aquatic environment through atmospheric deposition, leaching of electrolytic Mn residue and Mn gangue dump. However, limited is known that how these processes influence the environmental behaviors of Hg in waterbody. Therefore, the seasonal distribution and existing form of Hg in water and sediment in one Mn ore area in Xiushan County, Chongqing were investigated. Our results showed that the mean Hg and methylmercury (MeHg) concentrations in water (n=35) were 5.8 ± 4.6 ng/L and 0.22 ± 0.14 ng/L, respectively. The mean Hg concentrations in retained riverbed and fluvial bank sediment (n=35) were 0.74 ± 0.26 mg/kg and 0.63 ± 0.27 mg/kg, respectively (the mean MeHg concentrations were 0.64 ± 0.40 µg/kg and 0.51 ± 0.30 µg/kg, respectively). It indicated that the mining and smelting of Mn ores were the main sources of anthropogenic Hg, and Mn may inhibit Hg methylation in rivers in Mn ore areas. Mercury in the bound to iron/ Mn (Fe/Mn) oxides of low crystallinity fraction (Hg-OX) accounted for 4.01% and 5.25% of the total Hg concentrations in the retained riverbed and fluvial bank sediment, respectively. The amount of Hg bound to Fe/Mn oxides in sediment increased significantly due to the manganese mining activities in the investigated area. Therefore, it could be hypothesized that high Hg concentrations in river sediment in Mn mining areas are closely related to high Mn concentration in sediment.     

Scavenging of Cd through Fe/Mn oxides within natural surface coatings

The dynamics of Cd scavenging from solutions by Fe/Mn oxides in natural surface coatings （NSCs） was investigated under laboratory conditions. Selective extraction methods were employed to estimate the contributions of Fe/Mn oxides, where hydroxylamine hydrochloride （0.01 mol/L NH2OH-HCl ＋ 0.01 mol/L HNO3）, sodium dithionite （0.4 mol/L Na2S2O4） and nitric acid （10% HNO3） were used as extraction reagents. The Cd scavenging was accomplished with developing periods of the NSCs （totally 21 data sets）. The resulting process dynamics fitted well to the Elovich equation, demonstrating that the amount of Cd scavenged was proportional to the increments of Fe/Mn oxides that were accumulated in the NSCs. The amount of Cd bound to Fe oxides （MCdFe） and Mn oxides （MCdMn） could be quantified by solving two equations based on the properties of two extraction reagents. The amount of Cd scavenged by Fe/Mn oxides could also be estimated using MCdFe and MCdMn divided by the total amounts of Fe and Mn oxides in the NSCs, respectively. The results indicated that the Cd scavenging by Fe/Mn oxides was dominated by Fe oxides, with less roles attributed to Mn oxides. The estimated levels of Cd scavenging through Fe and Mn oxides agreed well with those predicted through additive-adsorption and linear-regression models.     

伊通河沉积物重金属赋存特征的统计分析

分析了长春市伊通河卫星桥(1#),自由大桥(2#)和东大桥(3#)三个采样点不同深度的沉积物样品中Cu,Pb,Zn,Ni,Co,As的含量及赋存形态,并利用多元统计分析方法研究金属间以及不同形态与沉积物性质之间的相互联系,从而深入揭示城市河流沉积物中金属的空间累积规律。结果表明:伊通河1#和2#采样点不同深度的重金属浓度随深度变化幅度不明显,而3#采样点中Pb、Cu和Zn含量随深度变化显著,它们的相对标准偏差分别达到70.3%,48.1%和52.2%。三个采样点中Cu,Pb,Zn显著相关(r=0.914,0.798和0.949),而Ni,Co,As之间呈显著相关关系(r=0.924,0.843和0.812)。说明这2组金属可能分别具有相同的来源和迁移特性。形态分析结果指出,在沉积物中Cu主要与有机质或硫化物相结合,Pb,Zn和Ni主要存在于由铁氧化物结合态和有机/硫化物结合态中,以碳酸盐和锰氧化物形式存在的比例相对较少。统计分析进一步说明,Cu,Pb,Zn与锰氧化物结合方式类似,Pb在有机/硫化物结合态中可能主要与硫化物相结合,而不是有机质。Cu和Zn有机硫化物结合态的含量与有机质的含量密切相关。     

Selective extraction and separation of Fe, Mn oxides and organic materials in river surficial sediments

In order to investigate the adsorption mechanism of trace metals to surficial sediments （SSs）, a selective extraction procedure was improved in the present work. The selective extraction procedure has been proved to selectively remove and separate Fe, Mn oxides and organic materials （OMs） in the non-residual fraction from the SSs collected in Songhua River, China. After screening different kinds of conventional extractants of Fe and Mn oxides and OMs used for separation of heavy metals in the soils and sediments, NH2OH .HCl （0.1 mol/L） ＋ HNO3 （0.1 mol/L）, （NH4）2C2O4 （0.2 mol/L） ＋ H2C2O4 （pH 3.0）, and 30% of H2O2 were respectively applied to selectively extract Mn oxides, Fe/Mn oxides and OMs. After the extraction treatments, the target components were removed with extraction efficiencies between 86.09%--3.36% for the hydroxylamine hydrochloride treatment, 80.63%- 101.09% for the oxalate solution extraction, and 94.76%-102.83% for the hydrogen peroxide digestion, respectively. The results indicate that this selective extraction technology was effective for the extraction and separation ofFe, Mn oxides and OMs in the SSs, and important for further mechanism study of trace metal adsorption onto SSs.