应用生物配体模型评价海洋沉积物重金属毒性的研究进展

海洋沉积物中金属毒性的判定一直是较为复杂的科学问题。近年来较多的研究表明,沉积物中金属的毒性和生物可利用性与其总含量无关,而与其存在形态密切相关。沉积物生物配体模型(s-BLM)是建立在较新的科研成果上用以判断沉积物中金属毒性的一个综合模型。s-BLM主要应用于有氧环境下,在测定活性金属、硫化物、有机碳的基础上,结合间隙水中的化学成分来计算多种金属的毒性阈值。s-BLM与以往应用于厌氧环境下的酸可挥发性硫化物/同步萃取金属(AVS/SEM)模型形成互补,从而能够全面系统的判断沉积物中的多种重金属(Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Ag)的生物毒性。本文全面介绍了s-BLM的由来和构建,重点探讨了其应用、研究进展及局限性。目前,该模型在国际上已受到广泛关注和应用,但我国在该方面的研究尚属空白。类似模型的研究和发展对于更科学的制定沉积物环境质量标准有重要意义。     

溶出伏安法测定海水中铜、铅、锌、镉存在形态的研究进展

海水中痕量金属的存在形态决定其生物毒性及可利用性,直接影响其迁移及归宿,因此备受关注。然而海水基体复杂、痕量金属浓度极低、采样和分析过程易引入污染,所以针对海水中痕量金属及其存在形态的研究对采样以及测试分析技术要求较高。在众多的形态分析方法中,溶出伏安法将有效的富集手段和先进的测量技术结合在一起,具有灵敏度高、选择性好等优点,目前被广泛使用。国际上,针对痕量金属存在形态分析的溶出伏安法一直在不断更新发展,但目前我国在该领域的研究,无论在近岸还是大洋,还较为匮乏。本文将介绍目前国际上应用溶出伏安法测定海水中几种痕量金属(Cu,Pb,Zn,Cd)存在形态及其最新研究进展,以推动我国海洋科学界在该领域的认识和发展。     

基于多元统计分析的辽东湾沉积物痕量金属地球化学特征

为研究辽东湾表层沉积物中痕量金属的地球化学特征和可能产生的生物效应,于2015年在辽东湾设置38个采样点,采集表层沉积物样品,测定其中13种痕量金属污染物的含量,并采用多元统计分析法对其地球化学特征进行研究. 结果表明:辽东湾表层沉积物中w(Al)、w(V)、w(Cr)、w(Mn)、w(Fe)、w(Co)、w(Ni)、w(Cu)、w(Zn)、w(As)、w(Cd)、w(Ba)和w(Pb)平均值分别为55 726.95、76.21、35.59、852.85、30 482.16、11.98、27.88、21.60、76.53、9.16、0.17、396.78和21.72 mg/kg;其中w(Al)最高,占63.51%;w(Fe)其次,占34.74%. 多元统计分析结果表明,痕量金属受氧化还原环境影响强烈,V、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd在沉积物的氧化还原循环中易被Fe氧化物吸附,与Fe氧化物产生共生关系. Ba与Pb存在共生关系,具有相似的物质来源和地球化学特征;Mn是海洋沉积物中主要化学成分;Cr一般和沉积物中的陆地碎屑相结合. 生态效应浓度评价表明,Ni和As偶尔会产生不利的生物效应,产生几率分别为97%和63%;Ni、As、Cu、Pb和Cr长期暴露会产生毒性效应,产生几率分别为100%、94%、74%、6%和3%,Zn和Cd不会产生毒性效应. 根据对生物产生负面效应和毒性效应的概率,痕量金属污染程度的排序为Ni＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn=Cd.      

太湖梅梁湾与五里湖沉积物活性硫和重金属分布特征及相关性研究

对太湖梅梁湾和五里湖表层及柱状沉积物中的酸性可挥发性硫化物(AVS)、同步可提取金属(SEM)及重金属总量的分布特征进行研究.分析发现,表层沉积物中的AVS与SEM具有相同的分布特征,其浓度均自河口稳定沉降区至湾(湖)心方向减小.表层沉积物中AVS/SEM<1,说明表层重金属具有潜在的生物有效性.AVS浓度在沉积深度上具有先增加后减小的趋势,且波动幅度较大,而SEM的浓度保持相对稳定.比较SEM与重金属总量得知:Cu和Ni的提取量有自表层至下层逐渐降低的趋势,表明硫结合态的Cu、Ni在逐渐增加;Pb和Zn的提取量与硫态沉积物相比较低,说明太湖AVS对Pb和Zn的控制作用较小.由AVS与活性铁的摩尔比可知,重金属在研究湖区沉积物中变化较强.     

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。     

大辽河水系表层沉积物中重金属的迁移特征及生物有效性研究

为了研究大辽河水系表层沉积物中重金属的迁移特征和生物有效性,采集了9个表层沉积物样品,测定了沉积物的理化性质、重金属Cu、Pb、Zn和Ni的总量及化学形态,并利用DGT方法和离心方法测定了沉积物孔隙水中Cu、Pb、Zn和Ni的浓度.结果表明,沉积物中Cu、Pb、Zn和Ni的总含量分别为16.8～49.2、 12.9～55.8、 38.7～152.8和18.1～39.0 mg/kg;DGT测定的孔隙水中重金属的浓度c(DGT)与离心方法测定的孔隙水中重金属浓度的比值低于0.5,表明沉积物中重金属从固相到液相的再补给能力和生物有效性比较低.相关分析表明,碳酸盐结合态Cu对DGT测定的Cu的浓度c(DGT)的贡献较大(r=0.633,p<0.05);对于Pb,可交换态含量对c(DGT)的贡献较大（r=0.617,p<0.05）;而对于Ni,可交换态、锰氧化物结合态、有机质结合态和铁氧化物结合态对c(DGT)浓度的贡献都比较大(r>0.650,p<0.05).此外,pH也是影响重金属元素从固相到液相的释放重要因素.     

贵州草海沉积物重金属分布及其对底栖动物群落的影响

基于原子吸收和ICP-MS,研究了贵州威宁草海4种重金属Zn、Pb、Cd、Ni的分布规律,并分析了其对底栖动物群落结构的影响.结果表明,表层沉积物中Zn、Pb、Cd 3种重金属含量已超过加拿大环境质量标准,超标样品量分别达到样品总数的82%、65%和47%,可能和周边历史上大规模的土法炼锌有关;草海表层水及孔隙水4种重金属含量均未超过国家I类地表水质量标准,表明污染的沉积物对水体重金属含量影响有限.表层沉积物中Zn、Pb、Cd均表现出湖中心及上游湖口含量更高的趋势,并和有机质呈显著正相关关系(r=0.837, P < 0.01; r=0.785, P < 0.01; r=0.780, P < 0.01),表明有机质在Zn、Pb、Cd的迁移和沉积中扮演了重要角色.在湖心沉积物柱中,Zn、Pb、Cd 3种重金属从剖面上部约10cm往上均有逐渐升高富集的趋势,与草海周边近几十年的大规模土法炼锌历史吻合.不管在表层沉积物还是在沉积物柱中Ni都呈现与其它3种重金属相反的分布规律,可能与Ni主要来源于自然背景有关.底栖动物群落结构调查表明,周边采样点比湖内采样点的底栖动物种类更为丰富,栖息密度也更大,这可能与草海湖内采样点重金属含量远高于湖周边采样点有关,具体影响及机制需要进一步深入研究.     

渤海湾海岸带开发对近岸沉积物重金属的影响

为了解渤海湾围填海造成的生境变化趋势及重金属污染状况,对2003年和2011年渤海湾表层沉积物4种重金属(Cd、Pb、Cu、Zn)的含量及空间分布分别进行了研究,并采用BCR三步分级提取法分析了2011年渤海湾表层沉积物中这4种重金属不同赋存形态的含量,评估了这4种重金属的生物有效性,最后分别采用富集系数法和潜在生态危害指数法对2011年重金属污染程度及潜在生态危害进行了评价.结果表明,2011年渤海湾沉积物中Cu、Cd、Pb的含量均比2003年偏高,重金属污染形势趋于严峻.Cu、Zn、Cd的空间分布趋势基本相似,其高值区均集中在渤海湾的中部海域.Pb的高值区主要集中在近岸河口和渤海湾中部及南部.4种重金属相互之间相关性显著,说明它们之间可能具有一定的同源性.形态分析表明Cu、Zn、Cd主要以残渣态存在,Pb主要以可还原态存在,各元素生物有效性排序为:Cd>Pb>Cu>Zn.Cd为渤海湾表层沉积物中最主要的污染元素,且具有较强的生态危害.Cu、Zn、Pb污染程度较低,生态危害轻微.     

黄河包头段沉积物中生物可给态重金属分布研究

结合沉积物孔隙水,对黄河包头段柱状沉积物中重金属元素(Cu,Pb,Zn,Cd和Cr)生物可给态的分布特征作了探讨.结果表明:深度不同,重金属元素生物可给性不同;黄河包头段沉积物中重金属污染在以一定的速率迭加;沉积物中重金属的直接危害程度较小,潜在危害程度较大.      

清淤底泥处置中添加粉煤灰/炉渣对重金属生物有效性及毒性的影响

在清淤底泥中添加碱性粉煤灰、燃煤炉渣进行钝化处理后,通过浸出毒性实验、重金属形态分级实验及植物生长实验对底泥基质中重金属的活性及生物有效性进行了研究.结果表明:清淤底泥中添加粉煤灰、燃煤炉渣等碱性物质后显著降低了底泥基质中可溶态重金属含量,其中,交换态、有机结合态Pb、Zn所占比例显著降低;碱性物质的加入缓解了重金属的浸出危害,钝化底泥基质中粉煤灰、炉渣对Cu的稳定率可达90.34%~96.88%;与此同时也抑制了底泥中重金属在植物体内的富集与迁移,降低了重金属的生物有效性.相关性分析表明,底泥基质中交换态重金属含量、浸出浓度、植物茎叶中重金属含量及植物根伸长抑制率之间存在显著正相关关系(p0.01).     

太湖表层沉积物重金属赋存形态分析及污染特征

为了解太湖表层沉积物中重金属的污染状况,对太湖表层沉积物中4种重金属（Cd、Pb、Cu、Zn）的含量及空间分布分别进行了对比研究,并采用BCR三步分级提取法分析了太湖表层沉积物中4种重金属（Cd、Pb、Cu、Zn）不同赋存形态的含量,评估了这4种重金属的生物有效性,最后采用潜在生态危害指数法对重金属污染程度及潜在生态危害进行了评价.结果表明,太湖表层沉积物中4种重金属元素均有一定程度的富集,其中Cd的富集程度最为严重;赋存形态分析表明4种金属均主要以可提取态形式存在,各元素生物有效性即可提取态含量排序为：Cd〉Pb〉Zn〉Cu;潜在生态危害指数法评价结果表明,元素Cd为太湖表层沉积物中最主要的污染元素,且具有较强的生态危害.其次是Pb,Cu和Zn则较为轻微.4种重金属潜在生态危害由大到小排序为：Cd〉Pb〉Cu〉Zn.     

南盘江流域(云南段)水系沉积物中重金属含量分布特征及其污染状况评价

为了查明南盘江流域(云南段)水系沉积物中重金属的含量分布特征和污染程度,系统采集了流域内水系沉积物25个,运用电感耦合等离子体质谱仪分析沉积物中重金属含量。利用地球化学方法和统计学方法,对该流域水系沉积物中重金属含量、空间分布特征与元素相关性等方面进行探讨和分析;采用富集因子、地累积指数和污染负荷指数等综合指标,评估南盘江流域水系沉积物的污染程度和厘定流域主要的重金属污染元素。结果表明,南盘江流域内普遍富集Cd,上游富集Cr和As,中游富集Pb和Sb,下游富集Sb。中游处泸江支流汇入,显著影响了南盘江干流沉积物中重金属分布。流域内有色金属硫化物矿床遍布、采冶工矿企业众多,金属硫化物的自然风化和矿业活动是该流域部分河段水系沉积物中重金属富集的主要来源。南盘江流域(云南段)存在一定程度的重金属污染,且不同河段重金属污染程度差异大,表现为中游上游下游。流域内主要污染贡献元素为Cd和As,Sb和Cr次之,Zn、Pb和Cu的污染程度较轻。     

潮滩沉积物重金属污染的色度反演方法初探

为了探求快速评估土壤重金属污染的方法,以崇明岛东滩低、中、高潮滩沉积物为研究对象,用色度仪测量其色度参数(明度L*、红度a*、黄度b*),并对照化学分析数据,初步探讨了潮滩沉积物的色度特征与重金属元素(Cu、Cr、 Pb、Zn、Mn、Fe )含量之间的相关关系.同时,运用回归分析分别建立了重金属元素含量与色度参数（明度L*、红度a*、黄度b*）之间的定量关系模型,并对模型进行验证.结果表明,在崇明岛低、中、高潮滩的沉积物中,Cu、Pb、Zn与L*之间负相关,相关系数最高可达rCu=-0.97、 rPb= -0.88、 rZn=-0.98;Cu、Pb、Zn与a*之间正相关;而Cr与a*之间负相关.在河口水体中重金属含量稳定的条件下,色度信息可以定量地反演潮滩沉积物重金属元素的含量,为大范围的潮滩重金属污染研究提供了一项实用有效的辅助手段.     

曼谷湾沉积物重金属元素的富集效应与生物有效性

2010年在曼谷湾(泰国湾北部)及其北部主要河口(湄干河、拉塞河、湄南河和邦巴功河)采集了46个表层沉积物样品,分析了样品中重金属元素(Cd、Co、Cu、Pb、Zn)的含量水平,并用Al均一化数据,获得消除了粒度效应的重金属地球化学特征.利用1mol/L的HCl对该区沉积物进行了处理,通过分析沉积物重金属在酸溶相和残渣相的分布,揭示其生物有效性.结果表明,曼谷湾周边河流沉积物中重金属元素含量明显高于曼谷湾;曼谷湾沉积物中重金属(Co、Cu、Pb、Zn)从北向南随着离岸距离的增加而增加,Cd没有明显分布规律;地累积指数显示Cd和Pb存在显著的地球化学富集特征.Cd和Pb在酸溶相中的比例相对较高,表明其生物有效性较高,易引发二次污染.     

滇池内湖滨带沉积物中重金属形态分析

采用BCR3步分级提取法测定了滇池内湖滨带沉积物中4种重金属(Pb、Cd、Cu和Zn)不同形态的含量,初步评估了这4种重金属的生物有效性.结果表明,Cd和Zn主要以可提取态存在(即弱酸溶解态、可还原态和可氧化态),而Pb和Cu均以残渣态为主要存在形式.通过计算可提取态含量所占总量百分量大小,可知各金属的生物有效性大小排序为:Zn(53.06%)>Cd(50.84%)>Cu(34.62%)> Pb(28.65%).沉积物中总有机碳(TOC)与各金属不同形态间的相关性分析表明,可氧化态重金属与有机碳结合的趋势远大于弱酸溶解态和可还原态.表层沉积物中可提取态重金属的空间分布特征明显表现为草海>外海,除Cu外,大部分样点的可提取态Pb、Cd和Zn含量均随采样深度增加而减少.     

重金属元素在贵州红枫湖水体中的分布特征

以贵州红枫湖为研究对象,分析了该湖13个采样点的上覆水、表层沉积物间隙水和表层沉积物中的Cd、Pb、Cu、Zn、Fe、Mn 6种重金属的浓度.其中,上覆水和间隙水中的金属浓度呈现相同的分布趋势:Fe>Mn>Zn>Pb>Cu>Cd;而沉积物中的金属浓度略有不同,为Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Cd.同种重金属在三者间的分布顺序为:沉积物>间隙水>上覆水,表明该湖中的重金属有从沉积物向上覆水扩散的可能.相关性分析表明,上覆水、表层沉积物间隙水和沉积物中的金属浓度之间没有明显的相关性;通过主成分分析,对该湖水体重金属的来源及迁移趋势进行评估,其中沉积物中重金属提取出一个主成分(贡献率为67.7%),而间隙水和上覆水的分析中分别提取出2个主成分,其中间隙水贡献率为73.6%和16.73%,上覆水为44.2%和25.1%.红枫湖水体重金属元素含量相对国内湖泊偏高,其中北湖水体各金属元素含量普遍高于南湖水体.     

草海典型高原湿地表层沉积物重金属的积累、分布与污染评价

为研究草海高原湿地表层沉积物中重金属含量变化与区域分布特征,采集了16个草海表层沉积物样品并测定了7种重金属的含量,采用Tomlinson污染负荷指数法(pollution load index,PLI)对草海表层沉积物中重金属污染进行评价.结果表明,草海高原湿地表层沉积物中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn的平均含量分别为0.985、0.345、15.8、38.9、38.6、22.8、384mg·kg-1.重金属的分布存在区域差异性,Cd、Hg的平均含量分布为E区(东部)>S区(南部)>N区(北部),Pb的平均含量分布为N区>E区>S区,Zn平均含量分布为S区>E区>N区.草海沉积物重金属污染负荷指数PLIzone为1.17,达到中等污染水平,3个区域表层沉积物的重金属污染程度为E区>S区>N区,其中E区和S区达到中等污染,N区总体为无污染.草海湿地表层沉积物7种重金属污染程度大小顺序为Zn>Hg>Cd>Pb>As>Cu>Cr,Zn、Hg为主要污染物,达到极强度污染水平,Cd、Pb达到中等污染水平.Zn、Hg、Cd、Pb这4种元素污染源相似,因此在草海污染防治方面,应特别重视对Zn、Hg、Cd、Pb污染源的控制.     

西昌邛海沉积物重金属含量时空变化与污染评价

通过对四川省西昌市邛海沉积岩芯10种金属元素全量与表层沉积物7种重金属元素全量和赋存形态的分析,研究了近百年来重金属累积和污染的时空特征及其在表层沉积物中的潜在生态风险.20世纪70年代之前,沉积岩芯中金属元素含量均较为稳定;70年代沉积物中Al、Fe、K和Cr含量呈明显的峰值,与流域降水量增加及围湖造田和毁林开荒等导致的细颗粒表土侵蚀输入有关;90年代以来,随着流域土壤侵蚀强度降低,Al、Fe、K和Cr等含量总体呈下降趋势,而As、Cd、Cu、Pb和Zn含量逐渐升高或较为稳定.富集系数结果表明,沉积岩芯中Cd、Pb和Zn受到不同程度的人为污染;其中Cd污染最重,污染开始于20世纪60年代,90年代以来保持在中等污染水平.表层沉积物中,Cd在西北部湖区含量较高,其余重金属含量空间变化趋势不明显;Cd、Pb和Zn的有效态质量分数平均分别为95%、63%和48%,其中Cd以酸可提取态为主,Pb和Zn主要赋存于可还原态和可氧化态中;其余重金属有效态质量分数平均值小于27%.重金属全量与有效态含量结果均表明,表层沉积物中Pb和Zn为轻度污染或中度污染水平,Cd平均为中度污染水平,但在西北部湖区达到了重度污染水平.基于重金属全量与有效态含量分别估算的表层沉积物中人为源Cd、Pb和Zn的含量较为接近（P>0.05）,说明人为输入的重金属在沉积物中主要赋存于有效态中.综合沉积物质量基准、潜在生态风险指数评价结果及重金属赋存形态,表层沉积物中Cd具有较强的潜在生态风险,其余重金属表现为低生态风险.     

福建省西南近岸海域表层沉积物重金属污染特征与风险评价

于2020年8月对福建省西南（闽西南）近岸海域表层沉积物中7种主要重金属的污染特征和来源进行了调查研究,并采用Hakanson潜在生态风险指数法、地累积指数法和富集因子法对调查海域重金属的潜在生态风险进行了评价。结果表明:调查海域表层沉积物中Hg、Cd、As、Cr含量符合国家第一类海洋沉积物质量标准,而Pb、Cu和Zn含量较高,分别有11.8%、23.5%和17.6%的站位超过第一类海洋沉积物质量标准,但符合第二类海洋沉积物质量标准,沉积物环境质量良好;7种重金属含量均与有机碳（TOC）含量、粒度呈显著相关性,而与硫化物含量无相关性;调查海域表层沉积物中Cu、Zn、Pb、As具有相似来源,呈现农业、交通和水土流失复合污染的特征,而Hg和Cd主要来源于工业污染;3种生态风险评价方法得出的结果基本一致,重金属单因子生态风险系数为Hg>Pb>As>Cd>Cu>Cr>Zn,调查海域生态风险总体上处于低生态风险水平,但仍然建议重点控制Hg和Pb污染。     

Natural and anthropogenic sources of lead, zinc, and nickel in sediments of Lake Izabal, Guatemala

Sediments in Lake Izabal, Guatemala, contain substantial lead (Pb), zinc (Zn), and nickel (Ni). The lack of historical data for heavy metal concentrations in the sediments makes it difficult to determine the sources or evaluate whether inputs of metals to the lake have changed through time. We measured the relative abundances and concentrations of Pb, Zn, and Ni by X-Ray Fluorescence core scanning and by Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry in three sediment cores to explore stratigraphic distributions of metals in the lake deposits. High amounts of Pb and Zn in the core taken near the Polochic Delta suggest that galena and sphalerite mining increased Pb and Zn delivery to Lake Izabal between ~1945 and 1965 CE. An up-core Ni increase in the core taken near a different mine on the north shore of Lake Izabal suggests that recent nickel mining operations led to an increase in Ni concentrations in the local sediments, but amounts in the other cores indicate that Ni is not widely distributed throughout the lake. Sediment cores from Lake Izabal are reliable recorders of heavy metal input to the lake, and were measured to establish background metal levels, which would otherwise be unavailable. Concentrations of Pb, Zn, and Ni in older, pre-20th-century Lake Izabal sediments reflect input from natural erosion of bedrock. Our results provide previously unavailable estimates of background metal concentrations in Lake Izabal before the onset of mining. These results are necessary for future monitoring related to mining contamination of the lake ecosystem.