Variations in concentrations and bioavailability of heavy metals in rivers caused by water conservancy projects: Insights from water regulation of the Xiaolangdi Reservoir in the Yellow River

Water regulation of the Xiaolangdi Reservoir of the Yellow River was chosen as a case to investigate variations in concentrations and bioavailability of heavy metals caused by water conservancy projects in rivers. Water and suspended sediment (SPS) samples were collected at downstream sampling sites along the river during this period. Concentrations and speciation of Zn, Cr, Cu, Ni, and Pb in water and SPS samples were analyzed, and their bioaccumulation was studied with Daphnia magna. This study indicated that the exchangeable and carbonate-bound fractions of heavy metals in SPS decreased along the studied stretch, and the dissolved heavy metal concentrations increased along the river with 1.6–15 folds. This is because sediment resuspension increased along the river during water regulation, giving rise to the increase of heavy metal release from SPS. The dissolved Zn, Cu, Ni, and Pb concentrations were significantly positively correlated with SPS concentrations, and their increase along the river was greater than Cr. The body burdens of heavy metals in D. magna exposed into samples collected from the reservoir outlet were 1.3–3.0 times lower than those from downstream stations, suggesting that the heavy metal bioavailability increased during water regulation. This should be considered in the reservoir operation.     

高原深水湖泊沉积物重金属背景值研究及潜在生态风险评估

为了解青藏高原湖区典型深水湖泊——羊卓雍错沉积物重金属污染水平及当前生态风险,以表层沉积物为基础,采用参考元素法计算研究区的重金属背景值,并对重金属生态风险状况进行了初步评估.结果表明:①羊卓雍错沉积物中重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb的背景值分别为（27.49±11.39）（22.53±4.74）（15.93±6.44）（28.22±9.68）（11.96±2.34）（0.22±0.11）（0.04±0.03）（11.59±5.29）mg/kg.②羊卓雍错表层沉积物重金属生态风险指数为66.96~227.79,平均值为119.45,各采样点重金属潜在生态风险均处于低风险或中等风险,流域整体处于低风险.③羊卓雍错表层沉积物中8种重金属的潜在生态风险顺序为Hg > Cd > As > Pb > Ni > Cu > Cr > Zn,各重金属生态风险指数范围为0.97~123.25,平均值在1.01~56.67之间,除Hg处于中等风险外,其余7种重金属均处于低风险状态.研究显示,参考元素法可便捷、准确地计算受人类活动影响较小湖泊的沉积物重金属背景值,当前羊卓雍错沉积物中重金属质量分数主要受背景值影响,而人类活动对重金属污染亦有贡献,需适当加强关注.      

样品量对河流沉积物组分分析结果的影响

在完全相同的实验条件下 ,将 GSD-9水系沉积物作为监控样品 ,对河流表层沉积物 (<63 μm粒级部分 )取不同重量进行消化并用 ICP-AES法分析测定主要元素 K、Na、Ca、Mg、Al、Fe、Mn、Ti,分析的准确度大于 94% ,分析结果相对标准偏差小于 5 % ,说明消化过程和分析结果是可信的。通过对四条不同河流黄河、赣江、汾河和辽河沉积物样品量与元素分析结果之间的关系图发现 ,在样品量小于 2 0 mg的情况下 ,总体会造成分析结果较大的波动 ,实验数据很难保证 ,而当样品量达到 2 0 mg以上 ,测定结果逐渐趋于平稳基本呈水平线 ,在 5 0～ 2 5 0 mg之间分析结果最为稳定。因此为了保证测定结果的准确性 ,河流表层沉积物的样品量至少应保证大于 2 0 mg。     

Cd~(2+)、Pb~(2+)在湘江流域河床表层沉积物上的吸附特性研究

以湘江流域河床表层沉积物为吸附剂,用于去除水中Cd~(2+)、Pb~(2+),系统研究了沉积物对Cd~(2+)、Pb~(2+)的吸附规律,并探讨了其吸附Cd~(2+)、Pb~(2+)后的化学稳定性。结果表明,当2种离子单独存在时,沉积物对Cd~(2+)、Pb~(2+)均具有较好的吸附效果;当2种离子同时存在时,由于竞争作用,沉积物对Cd~(2+)和Pb~(2+)的吸附量分别减小了约40%和16%。对吸附平衡的溶液进行曝气和用双蒸水清洗吸附饱和的沉积物后,Cd~(2+)、Pb~(2+)的释放比例较小,说明湘江流域河床表层沉积物吸附Cd~(2+)、Pb~(2+)后,其化学稳定性较好。沉积物的SEM、FTIR和XRD分析发现,沉积物结构多孔,表面含有大量—OH、—NH,这些基团在吸附重金属阳离子过程中起重要作用。研究结果表明,湘江流域河床表层沉积物对去除水中的Cd~(2+)、Pb~(2+)有较好的效果,该成果对湘江流域重金属污染控制具有重要参考价值。     

稳定剂增强的土壤原位覆盖抑制河流底泥氮磷释放研究

采用添加稳定剂的方式增强土壤覆盖对氮磷营养盐的抑制效果。以河流黑臭底泥为试验对象,通过底泥培养试验研究了无覆盖层、土壤覆盖、土壤+H2O2覆盖和土壤+KMn O4覆盖对底泥氮磷释放的抑制效果。研究结果表明:与无覆盖组相比,3种材料覆盖都可抑制底泥氮磷的释放。KMn O4的添加会促进含氮有机物的分解,提高土壤中三价铁含量,H2O2会提高水体溶解氧水平;对于氮释放的抑制效果顺序为土壤+H2O2组>土壤组>土壤+KMn O4组,对于磷释放的抑制效果顺序为土壤+KMn O4组>土壤+H2O2组>土壤组。从抑制氮磷释放效果和环保角度综合考虑,土壤+过氧化氢是最佳的覆盖材料。     

三峡水库沉积物不同赋存形态磷的时空分布

为了认识三峡水库沉积物磷的赋存状况,利用磷形态标准测试程序SMT法对干流和三条代表性支流(香溪河、大宁河、小江)的柱状沉积物进行了总磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、铁/铝磷(Fe/Al-P)、钙磷(Ca-P)的测定,结果表明干流沉积物TP含量为781~1026 mg·kg-1,支流沉积物TP含量为382~1085 mg·kg-1.TP主要由IP组成,OP所占比例较低;IP主要由Ca-P组成,Fe/Al-P所占比例较低.干流TP含量空间差异不显著,但各赋存形态磷的含量普遍高于支流,支流中香溪河磷含量高于大宁河和小江.垂直方向上各赋存形态磷含量在不同沉积深度没有明显规律;TP、IP、Ca-P三者变化趋势较一致,主要受Ca-P含量的影响.鉴于支流的独特水文条件,相比于干流,更应警惕支流沉积物磷的释放风险及其对水体的环境化学效应.     

富硫沉积生境中微生物群落的垂直分布特征

为探讨富硫沉积环境中特定微生物类群对硫循环的贡献,人工建立富含硫酸盐的模型,对模型中各种环境化学参数进行监测,并采用不依赖于培养的微生物分子生态学技术对微生物群落垂向分布特征进行解析.结果表明,以沉积物-水界面为分界线,上层水相为好氧环境,硫化物浓度较底;而沉积物相中硫化物浓度较高,为厌氧生境.微生物群落分布与环境特征具有很好的吻合性,沉积物相中微生物群落相似性较高,多样性相对较低,而水相中微生物多样性较高,且与沉积物中微生物分离距离较大.在水-沉积物垂向剖面中,细菌域中的变形菌门(Protebacteria)(丰度为7.6%~32.8%)、绿弯菌门(Chloroflexi)(13.6%~22.3%)以及古菌域中的广古菌门(Euryarchaeota)(19.3%~29.2%)是微生物群落中的绝对优势类群.在该生境中,存在微生物主导的硫循环过程,在厌氧沉积物表层,δ变形菌纲(Deltaprotebacteria)中的硫酸盐还原细菌还原硫酸盐产生硫化物,同时降解有机质.硫化物向上层扩散时,被Thiobacillus、Acidithiobacillus和Halothiobacillus等属的硫氧化微生物氧化为单质硫,并进一步氧化为硫酸盐,在硫循环过程中有机质被逐渐降解.特定微生物种群的富集需要在不同的环境因素,多种微生物共同参与硫循环过程,完成有机质降解.     

浑河底泥古菌群落结构季节性变化特征

为探究不同水期河流底泥古菌群落结构特征,选取浑河底泥为研究对象,并于2014年4月(枯水期),9月(丰水期),11月(平水期)对浑河流域进行样品采样,通过PCR-DGGE技术获得3个水期古菌的DGGE指纹图谱,并进行数据分析.结果表明,平水期的古菌多样性和种群丰度都要好于枯水期和丰水期,多样性指数均高于2.10,种群丰度均高于0.94,且上游到下游均匀度波动平缓,数值维持在0.90左右,说明平水期浑河底泥古菌群落结构变化相对稳定.聚类分析结果表明,不同水期浑河底泥古菌群落结构多样性并没有明显的地区特征,但3个水期位于城市段的采样点的古菌亲缘性较为接近.冗余梯度分析(RDA)结果表明,枯水期时水中BOD5、p H和DO是影响古菌群落的主要因素;丰水期时水中的p H和NO-3-N是影响古菌群落的主要因素;平水期时水中的TP和NO-2-N是影响古菌群落的主要因素.     

基于CT技术的巢湖沉积物孔隙结构三维重建的初步研究

为更好地了解分析沉积物孔隙结构特征,本文通过CT技术及相关软件,对巢湖沉积物孔隙结构进行了三维重建,展现了巢湖沉积物真实的三维孔隙结构,并以此为基础定量计算了孔隙度、孔隙连通性、曲率等沉积物孔隙结构参数.结果表明,巢湖表层沉积物孔隙度变化范围为0.28~0.75;曲率在2.83~9.31内变化,且在不同方向上表现出明显的差异性,Z方向上的较高曲率阻碍了孔隙水中的污染物扩散.沉积柱在垂直方向上,总体上随深度的增加,孔隙度减小,但在某些深度存在异常,可能是因为底栖动物活动或沉积条件变化.     

沉积物金属迁移-转化的影响因素及其规律

沉积物金属的迁移-转化行为和污染风险一直是研究热点。金属污染物在人为或自然因素下进入水体,绝大部分通过沉降作用成为沉积物固定相,如此,底泥也成了河流生态系统中重要的污染源(汇)。受外界条件干扰,沉积物和上覆水体环境条件随之变化,固定的金属污染物很可能会被释放到水体中,对生态环境造成危害。通过文献研究,对金属在水环境中的主要形态,影响沉积物-金属结合物迁移-转化的环境要素及影响机制,金属的生物可利用性和污染风险进行了综述。最后提出应加强对环境参数的变化程度和金属释放的量化关系,沉积物再悬浮-金属释放的预测模型,具有长期稳定性和可持续性的底泥污染修复和控制技术方面的研究。