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高分辨孔隙水采樣器解析湖泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)變對沉積物砷釋放的機制

更新時間:2025-04-03   點擊次數(shù):359次

本次分享一篇由水災害防御全國重點實驗室燕文明團隊在《Water Research》上發(fā)表的一篇學術論文“The transition from macrophyte-dominated to algae-dominated lake systems enhances arsenic release from sediments"。

富營養(yǎng)化湖泊中大型植物的衰退正在改變沉積物中的物質(zhì)循環(huán),然而針對這些變化中砷(As)的轉(zhuǎn)化響應機制仍不明確。本研究采用高分辨率滲析法,對水生植物優(yōu)勢區(qū)( MD)和藻類優(yōu)勢區(qū)(AD)沉積物孔隙水中的溶解態(tài)As進行了多季節(jié)觀測,解析了沉積物As形態(tài)分異與環(huán)境變化的關聯(lián),揭示了As的轉(zhuǎn)化過程。結(jié)果表明:大型植物向藻類優(yōu)勢區(qū)轉(zhuǎn)變會強化沉積物As釋放。AD區(qū)孔隙水溶解As在夏季達峰值120.36 μg/L,釋放強度最高;而MD區(qū)在春季呈現(xiàn)顯著As釋放特征(34.92 μg/L)。春季MD區(qū)植物殘體分解酸化與有機質(zhì)(OM)絡合作用共同促進了吸附態(tài)As的釋放;夏季AD區(qū)則通過鐵(Fe)氧化物還原溶解與溶解性磷(P)的吸附位點競爭驅(qū)動As釋放。值得注意的是,MD區(qū)沉積物夏季高腐殖化程度與低氧化還原電位促進了As-S共沉淀,反而導致As被固定而非釋放,這與"暖季促進沉積物As釋放"的傳統(tǒng)認知形成鮮明對比。富營養(yǎng)化湖泊中水生植物向藻類的演替可能加劇As釋放風險,這一過程值得深入探究。

高分辨孔隙水采樣器解析湖泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)變對沉積物砷釋放的機制


大型植物與藻類主導的生態(tài)體系對沉積物中砷(As)的轉(zhuǎn)化過程具有差異性影響。在 AD區(qū),孔隙水中溶解態(tài)As濃度在夏、秋季顯著高于冬、春季的低值;而MD區(qū)孔隙水溶解態(tài)As濃度則在春季達到峰值,反映出截然不同的As釋放機制。進一步分析表明,沉積物中鐵(Fe)氧化物和As-S共沉淀物是驅(qū)動As形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要來源。MD區(qū)春季大型植物殘體分解導致pH降低并釋放有機質(zhì)(OM),通過酸化作用與有機質(zhì)絡合促進吸附態(tài)As的解吸釋放。AD區(qū)夏季則通過鐵(Fe)氧化物的還原溶解釋放固持態(tài)As,成為該生態(tài)體系下As釋放的主要途徑。此外,孔隙水中總磷(TP)濃度的升高顯著增強了As的溶解遷移能力。值得注意的是,MD與AD區(qū)間溶解態(tài)錳(Mn)濃度的差異表明,沉積物中有機質(zhì)(OM)分解可能通過改變(Mn)氧化物的存在狀態(tài),調(diào)控As的形態(tài)轉(zhuǎn)化與空間分布。研究結(jié)果證實,大型植物與藻類主導的湖泊生態(tài)系統(tǒng)沉積物As轉(zhuǎn)化過程存在顯著差異。隨著富營養(yǎng)化加劇與大型植物的衰退,沉積物As溶解釋放過程可能進一步強化,這一趨勢亟待后續(xù)研究重點關注。

在水災害防御全國重點實驗室燕文明團隊的研究中,HR-Peeper(高分辨率孔隙水采樣裝置)在監(jiān)測沉積物孔隙水中的化學變化方面發(fā)揮了重要作用。HR-Peeper通過毫米級高分辨率采樣,精確采集沉積物孔隙水中的砷濃度,幫助揭示砷在沉積物-水界面的擴散規(guī)律和釋放機制。其原位監(jiān)測功能避免了樣品在采集和運輸過程中的污染,提高了數(shù)據(jù)的準確性。此外,HR-Peeper能夠?qū)崟r捕捉沉積物孔隙水中砷濃度的動態(tài)變化,分析其與環(huán)境因子(如pH值、溶解氧)的關系。這些功能為研究湖泊系統(tǒng)從以大型植物為主向以藻類為主轉(zhuǎn)變對沉積物中砷釋放的影響提供了關鍵數(shù)據(jù)支持,為湖泊生態(tài)系統(tǒng)管理和污染治理提供了科學依據(jù)。


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