黄河包头段沉积物重金属吸附机制及污染生态学研究

【摘要】： 黄河包头段水体集高含沙水流水质环境和工业污染于一体，拥有宏大的沉积物群体比表面与周围水介质构成的微界面体系，具有独特的水动力学过程，同时包头市的工业污水排放使黄河包头段重金属污染严重。开展黄河包头段重金属在水-沉积物界面的吸附机制及其在环境中的时空分布、迁移转化和污染迭加等研究具有典型性和代表性。 本研究以环境地球化学、生物地球化学、污染生态学及现代沉积学的理论和方法为指导，注重环境污染载体有关信息的综合获取及时空变化规律的对比，以重金属的地球化学特性及其吸附机制为主线，深入开展了黄河包头段沉积物粒径和水体常见离子对重金属吸附的影响、重金属间的竞争吸附及矿物组成对重金属形态分布的影响等一系列重金属吸附解吸机制研究，探讨了黄河包头段重金属的时空分布、迁移转化、污染迭加等动态过程；首次开展了黄河包头段天然鱼群及沿岸植物对重金属富集能力的研究，为重金属生物有效性、生物地球化学循环及生态风险评价积累了基础数据。本研究取得了如下主要成果和进展。 1．推导了不同粒级沉积物的表面分形分维计算公式，计算了不同粒级沉积物的表面分形分维值、黄河包头段沉积物整体的表面分形分维值(1.91)和＜63μm沉积物的表面分形分维值(1.36)；获得了Cu＞Pb＞Zn≈Cd的粒径对四种重金属吸附影响程度的序列，Cu、Pb在大粒径颗粒物中的平衡吸附量有一定的升高，Zn、Cd则随粒径增大，平衡吸附量减小：分形校正吸附模型较Freundlich和Langmuir吸附模型对重金属在不同粒径沉积物中的吸附具有更好的适用性。 2．不同浓度范围的Na~+、K~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)、Cl~-、SO_4~(2-)等离子对重金属吸附作用的影响机制不同。因离子强度增大而引起的重金属离子活度减小或双电层压缩作用和结构或物理化学性质相似的环境阳离子与重金属间的竞争作用及环境阴离子与重金属的络合作用等均可引起溶液内重金属吸附与解吸平衡的移动。 3．重金属离子间竞争吸附存在于重金属离子浓度的各个阶段，无论吸附反应体系是否达到饱和吸附。竞争吸附不是简单的以占据吸附点位形式存在的“零和效应”过程，重金属浓度不同，相互间竞争吸附的主导机制也不同。此外，据竞争吸附实验得出了Pb~(2+)＞Cu~(2+)＞Zn~(2+)≥Cd~(2+)的水-沉积物环境中重金属离子间竞争吸附能力的一般序列。 4．伊利石和绿泥石是黄河包头段颗粒物中携带重金属的主要粘土矿物，同时该两种矿物对重金属次生相的形态分布也具有重要影响；碳酸钙(方解石)则通过对水环境CO_3~(2-)浓度的调节，间接影响重金属的形态分布及其运移能力；石英、正长石、斜长石及钠闪石等对可交换态重金属影响较大。 5．黄河沉积物在不同水期所起的源／汇功能与强度不同。因枯水期和平水期利于悬浮物的沉积和重金属在水-沉积物微界面的吸附，沉积物对重金属具有汇的功能；而丰水期由于黄河流量和含沙量增大，对底层沉积物的冲刷作用较强，使其发生再悬浮，导致吸附在沉积物中的重金属重新释放进入上覆水体，形成二次污染，对上覆水体中的重金属起到源的作用。各水期沉积物对重金属的富集能力排序为，枯水期＞平水期＞丰水期。 6．首次开展了黄河包头段天然鱼群及沿岸植物对重金属富集能力研究，为重金属的生物有效性、生物地球化学循环及生态风险评价奠定了基础并积累了第一手资料。研究揭示，沿岸植物和天然鱼群对重金属的富集能力具有元素差异性、点位差异性、物种差异性、营养部位差异性及鱼龄差异性。