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年度原位監測發現富營養化湖泊沉積物爆發鎘污染事件

  湖泊富營養化和金屬污染是世界性的環境問題。鎘(Cd)污染的水體和食物對人體危害嚴重,且這些含Cd的有毒物質在人體內代謝較慢,在美國毒物和疾病登記署(ATSDR1999)列出的20種危害人體健康的物質中Cd排名第8位。湖泊富營養化和藍藻暴發顯著影響沉積物的生物地球化學環境,是否會影響沉積物Cd遷移,目前仍不明確。鑒于此,丁士明研究小組通過采用薄膜擴散梯度技術(DGT)和高分辨率透析技術(HR-Peeper),對富營養化湖泊太湖沉積物中的Cd進行原位為期一周年的逐月監測,結合室內模擬實驗,探討富營養化湖泊沉積物Cd的遷移機制及其對水體的污染。研究成果發表在環境領域主流期刊Water Research上。主要得到以下三點結論: 

  1. 沉積物有效態Cd濃度在2月和3月較高(圖1)。有效態CdMn濃度在沉積物-水界面剖面上的分布同步,這是由于微生物驅動錳(Mn)氧化物還原溶解并將原來所吸附在Mn氧化物上的Cd釋放出來所致。 

  2. 沉積物-水界面溶解態Cd濃度在5月和6月最高(約為28μg L-1),上覆水中溶解態Cd的濃度比美國環境保護署(EPA)設定的淡水Cd持續標準濃度(0.25μg L-1)高出約110倍(圖1)。Cd濃度突然增加是由于沉積物中溶解性有機質(DOM)與Cd絡合增加其溶解度和移動性所致。Cd主要與酪氨酸類組分絡合形成穩定的絡合物,結合在酚基O-H、烯烴C=C、醇C-O、芳香族C-H和烯烴=CH等基團上(圖2)。 

  3. 沉積物Cd濃度在7月至次年1月較低,主要是由于藻類吸收、硫化物沉淀和氧化錳吸附過程共同作用的結果(圖3)。 

  該研究有效地促進了對沉積物-水界面Cd遷移的認識,同時強調富營養化湖泊存在Cd突發污染事件的風險。 本項研究由國家重點研發計劃及國家自然科學基金委創新研究群體等項目聯合資助。 

  論文信息:Chen, M., Ding, S., Li, C., Tang, Y., Fan, X., Xu, H., Tsang, D. C. W., Zhang, C., 2021. High cadmium pollution from sediments in a eutrophic lake caused by dissolved organic matter complexation and reduction of manganese oxide. Water Research 190, 116711. 

  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116711 

1 20162月至20171月太湖梅梁灣沉積物-水界面溶解態CdDGT有效態Cd的二維剖面月度變化 

2 熒光猝滅滴定實驗研究沉積物Cd2+DOM的絡合性質;(a)隨Cd2+濃度增加三維熒光光譜(EEM)的熒光強度變化;(b)修正的Stern-Volmer方程計算Cd2+與酪氨酸組分的條件穩定常數(Log Km);(cd)加入Cd2+后紅外吸收光譜(FTIR)及其差分光譜的變化;(ef)隨著Cd2+濃度增加,DOMFTIR的同步和異步二維相關光譜分析結果 

3 富營養化湖泊太湖梅梁灣沉積物-水界面Cd遷移模式圖 

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