长江口滨岸潮滩汞的环境地球化学研究

发布时间：2020-11-17 00:17

　　 河口滨岸潮滩是海陆相互作用的重要地带,是全球生产力最高的生态系统之一。进入河口水环境中的Hg,会通过各种迁移转化过程在水体不同介质中重新分配。沉积物是Hg发生累积和富集的主要汇库,累积于沉积物中的Hg会通过甲基化过程生成甲基汞(MeHg),具有一定的生态风险,也可以通过一系列的物理、化学和生物过程释放出来,造成的“二次污染”,对人类健康带来潜在危害。因此,有关河口潮滩中Hg生物地球化学行为的研究一直是环境科学研究的热点问题之一。 本文在国家自然科学基金“饮用水源地底泥重金属再悬浮释放与水源地水质安全研究”(批准号：40701164),和上海市优秀学科带头人项目“长江口滨岸湿地汞的地球化学循环及其生态危害”(批准号：07XD14010)等项目的支持下,主要选取了长江口滨岸潮滩地区,研究了不同环境介质中Hg的含量水平、时空分布、赋存形态、生物可利用性及其生态风险,探讨了不同盐沼植被芦苇、海三棱藨草和互花米草对沉积物中Hg累积的影响及其机制,分析了短期厌氧条件下沉积物中Hg的动力学过程和机制,揭示了不同环境条件下沉积物中Hg的再悬浮迁移转化过程与机制及其水环境效应。获得的主要研究成果如下： (1)长江口近岸水体中溶解态Hg(HgD)的含量在35-421 ng/L之间变化,有53.3%的水样中HgD的含量超过了我国地表水质标准(GB3838-2002)中的Ⅲ类水限值,含量高值主要出现在浒浦-白茆岸段和罗泾-顾路岸段。沉积物中总汞(THg)含量在0.058～0.541μg/g之间变化,位于EC-TEL和EC-PEL之间,对当地水生生物偶尔会有负面效应,含量高值主要出现在浒浦-浏河、罗泾-顾路和芦潮港岸段。柱样沉积物中Hg的含量高值出现在5 cm深度左右,孔隙水中HgD的含量高值出现在表层0.5 cm深度。粘粒和有机质含量是影响沉积物中Hg空间分布的主要因子。沉积物中甲基汞(MeHg)含量在0.05～0.37 ng/g之间变化,在THg中仅占到0.012～0.196%,与THg含量之间不存在相关性,与有机质含量呈正相关(r=0.488),与沉积物平均粒径呈负相关(r=-0.579)。 (2)元素Hg (Hg-e)和硫化汞(Hg-s)是长江口潮滩沉积物中Hg的主要赋存形态,分别占到THg含量的9.0%-50.3%和37.7%-85.3%。其次是有机螯合态Hg(Hg-o)含量,水溶态(Hg-w) Hg和“人类胃酸”酸溶态(Hg-h) Hg含量最低。用Hg-w、Hg-h和Hg-o三种赋存形态之和表征Hg的生物可利用性,浮桥低潮滩沉积物中Hg的生物可利用性最高,其次是浏河和浦东机场低潮滩,与Hg的总量之间并不存在相关性。地累积指数评价结果显示,利用Hg的形态含量计算的∑Igeo值更能反映沉积物的实际污染水平及其对水生生物的危害大小,沉积物没有受到污染。根据THg的Eri值与Hg赋存形态的∑Eri值评价的沉积物潜在生态风险等级一致,但由生物可利用态Hg带来的生态风险并不依赖于沉积物中THg含量的变化,长江口潮滩沉积物都属于低生态风险等级。 (3)芦苇带、海三棱藨草带与互花米草带表层沉积物中Hg的含量范围分别为0.009～0.365μg/g、0.020～0.771 gg/g和0.078～0.186μg/g,均明显高于非植被带(p0.05)。植被的促淤作用可导致沉积物中Hg含量的增加。在沉积物柱样中,三种盐沼植被带在不同深度形成峰值含量。芦苇带沉积物中Hg的含量受根际氧化条件和植被根系周期性生长和死亡影响。互花米草和海三棱藨草带沉积物中Hg的含量主要受植被促淤固沙能力的影响,其次才受到植被根系周期性生理活动的影响。主成分分析和Pearson相关分析发现,在盐沼植被根系参与下,沉积物中的有机质含量、16μm的细颗粒含量、以及沉积物温度、含水率和电导率等理化指标共同作用,一起影响着互花米草带和海三棱藨草带沉积物中Hg的含量和分布。 (4)芦苇与互花米草根系中Hg的含量远高于茎叶,Hg的茎叶：根系比值分别为0.32和0.55。海三棱蔗草茎叶中Hg的含量明显高于根系,茎叶：根系比值达到了2.88。芦苇根系吸收的Hg要明显高于互花米草和海三棱藨草,而海三棱藨草茎叶中累积的Hg最高。三种盐沼植被地上与地下组织中Hg的富集系数都在0.55以下。在崇明东滩盐沼带中,三种盐沼植物根系中Hg的储量在0.02～0.11 mg Hg/m2之间,其中芦苇根系中Hg的储量最大,平均值为0.07 mg Hg/m2,其次是互花米草,海三棱藨草最低。三种盐沼植物茎叶中Hg的储量在0.01～0.05 mg Hg/m2之间,海三棱藨草茎叶中Hg的储量最大,平均值为0.03 mg Hg/m2,其次是互花米草,芦苇茎叶中Hg的储量最低。 (5)崇明东滩夏季盐沼带沉积物柱样中酸同时可提取态Hg (SEM-Hg)和酸可挥发硫(AVS)的平均含量分别在0.66～1.03μmol/kg和0.848～4.381 mmol/kg之间变化,3个植被带之间差异均不显著(p0.05)。柱样中SEM-Hg含量与AVS含量之间不存在相关性。3个植被带沉积物中SEM/AVS比值在ND～0.066之间,Hg的生物可利用性较低,与利用MeHg的评价结果一致,在柱样中均在2～4 cm深度出现最高值,说明表层沉积物中Hg的生物可利用性相对较高。从空间分布来看,崇明东滩表层沉积物中MeHg在THg中的比例较高,生物可利用性相对较强,沿长江口南岸而下直到浦东机场,Hg的生物可利用性逐渐增强。 (6)在短期厌氧动力学试验中,沉积物中SEM-Hg的含量占到了THg含量的20.1%～51.9%,在淹水过程中,沉积物中部分Hg被释放出来,但进入孔隙水的HgD的通量值较小,仅有-0.004～0.011μmol/kg·d。在淹水前10天期间,沉积物固相中SEM-Hg的降幅最大,但此时孔隙水中HgD的含量增加并不多,硫酸盐还原释放出的S2-可能与沉积物中释放出来的Hg2+化合形成HgS沉淀固定在沉积物中。沉积物中乙酸钠提取态Hg的含量仅占到THg含量的0.8%～18.5%,在试验中含量均明显降低。在淹水10天以后,沉积物中的Fe、Mn硫化物和有机质也可以吸附部分Hg。淹水后期添加有机质的沉积物孔隙水中HgD的含量比密闭无有机质添加试验低了43%,有机质降解使TOC逐渐增多,对Hg的吸附量增加,降低了系统中Hg的毒性。 (7)在动力再悬浮试验中,水体中表现为以颗粒态Hg(HgP)的吸附为主,水动力条件是控制水体中Hg分配行为的关键因素。在盐度和盐度×动力耦合再悬浮试验中,上覆水中Hg的log10Kd分别为2.8～3.8和2.7～4.5。在盐度较低的环境条件下,动力条件是影响上覆水中Hg行为的主要因子。当盐度在1‰以上时,上覆水中的HgP出现解吸行为,当动力条件达到250 r/min以上时,解吸作用增强,上覆水中HgD出现正通量,表现为向上覆水的释放。pH和pH×盐度耦合再悬浮试验上覆水中Hg的log10 Kd值分别为2.8～3.9和1.4～4.0。当水体盐度较低而pH值发生变化时,上覆水中有大量HgD被Al、Fe的氢氧化物胶体所吸附。在水体盐度较高的情况下,水体中以OH-离子与Hg2+的反应为主,并生成了HgO发生沉淀。 (8)中、低潮滩上覆水中Hg的分配系数分别为2.2～4.5和1.8～4.3,中潮滩表层颗粒物被扰动起来以后,对上覆水中Hg的吸附作用要弱于低潮滩,这与中潮滩沉积物相对较粗的颗粒粒径以及较少的有机质含量有关。较高的盐度条件和较大的动力条件耦合在一起,可以促进低潮滩沉积物中的Hg的释放及其在水相中的滞留,上覆水中HgD的总通量与盐度值之间呈非常好的正相关关系(0.990),当盐度值11.5%o时,上覆水中以HgD的正通量为主,Hg的生物可利用和毒性增强。中潮滩在再悬浮过程中,上覆水中主要以悬浮颗粒对Hg的吸附作用为主,上覆水中HgD的总通量与盐度值之间并不存在线性关系。 本文的研究特色与创新之处包括以下几点： (1)揭示了不同盐沼植被对沉积物中Hg累积特征的差异性影响及其机制； (2)明确了短期厌氧条件下沉积物中Hg的动力学过程,弄清了Fe、Mn等金属硫化物和沉积物TOC是影响厌氧条件下Hg迁移转化的主要因子； (3)弄清了水体动力条件是影响Hg再悬浮行为的关键因子,当盐度在1‰以上时,较高的动力条件促进了上覆水中HgP的解吸,在水体盐度较高的情况下,pH值增加使水体中的OH-离子与Hg2+反应生成了HgO沉淀。沉积物自身的性质也是决定再悬浮过程中Hg迁移转化行为的重要因素。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：X13
【部分图文】：

沿海区域在全球Hg循环中起着重要的作用 (Masonetal.， 1994)，是陆地Hg输入海洋的重要通道，沿海沉积物也成为水体中Hg的重要汇库，在当前全球Hg循环中(图1一2)，土壤是最大的Hg的储库，其次是海洋，正以 2.4Mmol行r的速率逐渐增加。在人类活动产生的Hg中，有60.8%的Hg排放到大气中去，其余部分进入了表层土壤中，排放到大气中的Hg又以干湿沉降的方式进入地表土壤和水体中，其中直接沉降到海洋中的有41.1%，由人类活动直接排放和干湿沉降过程进入土壤中的Hg有5.7%通过河流进入了海洋中。进入海洋中的Hg绝大多数存在于海水和浅层沉积物中

华东师范大学2011届博士学位论文第一章绪论2.3.2滨岸潮滩系统中Hg的生物地球化学循环图1一3说明了滨岸潮滩系统中Hg的主要形态及其潜在的生物和非生物反应、迁移、转化和生物吸收等生物地球化学过程。忆忆翼。。 。。。。。。。。。 HHHHHHHHHHHHHg(((_幼 幼 肠肠日别 PLLLLL洲洲冬从、才一斗斗 HHHg(11)))黔黔黔黔黔黔 黔黔一一 从从贾崔 崔 崔崔崔崔 只只蕊石刃刃 毓毓 }}}笋 笋知 知 知称称图1一3滨岸潮滩系统中Hg的生物地球化学循环(修改自ritsgera一 det:一，2007)Fig.l一 3BiogeoehemicaleyelingofHgintheeoastalintertidalflatsystem(revisedfromFitZgeraldetal.，2007)海水环境中的Hg主要以3种形态存在，包括元素Hg(Hg。)、以各种无机和有机汞化合物形式存在的二价离子汞(HgZ干)、以及包括甲基汞(MeHg)和二甲基汞(DMHg)形式存在的甲基化形态 (Fitzgeraldetal.，2007)。所有这些形态通过HgZ+库错综复杂地联系在一起(图1一3)，如Hg2+可以被还原为Hgo，Hg。通过挥发过程进入大气，经过复杂的大气迁移与转化过程后，气态活性Hg和颗粒态Hg又以干湿沉降过程进入水体

3.2长江口南岸潮滩长江口南支河段属强感潮河段，其水质既受长江下泄污染负荷的影响，又受河段附近河流、排污口的直接影响(图2一1)。长江口南支河段除了黄浦江、望虞河、浏河等近10条大小污染严重的河流汇入外，河段下游上海市石洞口、竹园、白龙港排污口以及沿江众多小排污口等点污染源对长江水体构成了严重污染，从江苏浏河至上海吴淞口存在岸边污染带(吴新华，2001)。从潮滩的冲淤变化来看，长江口南岸浏河口至朝阳农场基本上为微冲微淤的稳定岸段，朝阳农场至芦潮港口为快速淤涨岸段，滩面平坦宽广，高、中、低潮滩发育完整。南汇东滩是长江口南岸滩地面积最大、淤积最快、发育最为完全的潮滩(杨世伦等，2001)。本研究在长江口南岸共设置了10个采样断面
【引证文献】

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1 宁彤;巢湖流域土壤和河、湖沉积物汞的分布特征、成因及生态风险[D];南京大学;2012年

本文编号：2886838