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基于平面光极技术研究颤蚓生物扰动对水/沉积物体系中Cu~(2+)迁移的影响

政芳  
【摘要】:天然水体沉积物是河流、湖泊等众多水体生态系统的重要组成部分,它不仅作为底栖生物的栖息场所和食物来源,并且对水体中的污染物具有吸附作用。由于人类活动的生活污水以及工业废水的排放,使自然水体受到污染,水体沉积物中日愈积累的污染物中的重金属成分对人体具有一定的危害性,且重金属在水中具有毒性,对附近的生物与环境造成危害。生物扰动作用对沉积物附近的微环境中各项指标以及物质的迁移均具有一定的影响,而这些改变会影响重金属在沉积物中的迁移。目前,测量水体和沉积物中重金属的方法有许多,如微电极法,但缺少对生物扰动下,重金属在沉积物中的实时原位检测的研究。本文以颤蚓作为扰动生物,取长春南湖表层沉积物作为采样点,以Cu~(2+)为重金属代表,应用平面光极技术,参考已有方法制备性能良好的Cu~(2+)传感膜,构建水/沉积物模拟体系,利用高分辨率的相机对其荧光图像进行采集,实时监测体系中重金属污染物Cu~(2+)的二维分布情况,来研究水/沉积物模拟体系中重金属Cu~(2+)的迁移转化规律。结果表明,利用荧光探针ATA制备Cu~(2+)平面传感膜,Cu~(2+)传感膜最大激发波长为356 nm、最大发射波长为452 nm。响应时间较短(30 min)并具备良好的稳定性和准确性,可应用于实验体系中。平面光极技术所采集的图像经处理后可直观呈现Cu~(2+)空间分布情况与转化规律,经14天连续监测发现,与无颤蚓扰动的体系相比,有颤蚓生物扰动的水/沉积物模拟体系中,实验初期,Cu~(2+)主要集中在上覆水中,表层沉积物有少量Cu~(2+),深层沉积物中未出现Cu~(2+),随着颤蚓生物扰动作用时间的延长,沉积物中的Cu~(2+)慢慢向下迁移,最终底层上覆水与表层沉积物中Cu~(2+)浓度趋于均一。这些现象是由颤蚓扰动对沉积物产生的生物灌溉作用、搬运作用和再悬浮作用等物理混合作用引起的,且颤蚓的扰动作用改变了体系中溶解氧的微环境参数,间接影响了体系中微生物的新陈代谢作用,因此以及颤蚓与微生物的新陈代谢等生物化学因素对铜离子的迁移也有影响。且颤蚓密度越大,Cu~(2+)向下迁移速度越快,达到动态平衡时间越短;在相同的扰动时间下,生物密度越大,体系中沉积物Cu~(2+)向下迁移距离越深。颤蚓的扰动作用使沉积物变得疏松,增加了沉积物的孔隙,促进了金属浓度较高的上覆水向沉积物中迁移,且颤蚓其本身的新陈代谢作用会引起体系中pH、DO等微环境参数的变化,间接影响重金属的浓度。颤蚓在沉积物与上覆水界面处的扰动作用随颤蚓密度的增大而增强,密度越大,扰动影响越强,沉积物界面及深层沉积物的扰动作用增强,加快了重金属向沉积物的迁移作用。本研究有助于研究水沉积物体系中,重金属的迁移规律。


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