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颤蚓扰动对Cu和Cd在模拟水环境介质中的迁移影响

黄晓蒙  
【摘要】:自然水体是包括水相和沉积物、悬浮物以及生物体等多种固相物质的复杂体系。颤蚓作为典型的底栖生物,其在沉积物表面的代谢和扰动作用产生的物质交换与迁移增大了水环境体系的复杂性与动态性。为探究颤蚓扰动对于重金属在多相共存的水环境体系中的迁移和固定的长期影响过程,本研究利用微宇宙模拟自然水体的方法,研究在不同生物量的颤蚓扰动影响下,自然水体内源释放和外源加入的重金属Cu和Cd在包括沉积物、生物膜和悬浮颗粒物在内的水环境体系中的迁移,以及关键水体条件改变后重金属在不同介质间再分配至接近平衡的动态过程。对于沉积物释放的Cu和Cd的迁移研究,结果表明:水相中的Cu和Cd由于多种固相物质的快速富集而保持极低含量;生物膜对于水相中的Cu和Cd首先快速富集,之后缓慢释放,引入颤蚓的实验组中生物膜Cu和Cd的最大浓度相比空白组分别增大15.3%和5.4%;沉积物首先向水相释放Cu和Cd,且释放量随颤蚓生物量增大而增大;水相中悬浮颗粒物总量随颤蚓生物量的增大而增大。相比Cu,Cd在体系中的迁移受颤蚓扰动影响更大。综上,相比空白组,颤蚓扰动可促使沉积物向水相释放更多的Cu和Cd,并产生更多的悬浮颗粒物。沉积物释放的Cu和Cd主要被生物膜和悬浮颗粒物所富集,同时颤蚓扰动对于沉积物内部的Cu和Cd有由下至上的转移作用,可使深层的Cu和Cd随代谢引起的颗粒物迁移至浅层,并加入沉积物与其他介质的物质交换活动中。对于水相添加的Cu和Cd的迁移研究,结果表明:水相初始重金属污染浓度相同的实验组中,随着引入的颤蚓生物量的增大,水相中重金属的平衡浓度下降至更低,实验组水相Cu和Cd最低浓度分别达到空白组的39.3%和52.1%;生物膜中重金属的最大富集量减小,Cu和Cd最大浓度相比空白组分别减小19.2%和13.6%;而表层沉积物对于重金属的富集速度和富集量明显增大,沉积物0-1cm层中的Cu和Cd最大浓度相比空白组分别增大38.9%和24.8%,且深层沉积物中Cu和Cd浓度也随之明显增大;悬浮颗粒物中单位重金属浓度变化不明显,但富集总量增大。引入相同颤蚓生物量的实验组中,固相物质对于水相中重金属的富集量均随水相初始浓度的增大而增大。Cu在不同介质间的迁移效率整体上高于Cd,但Cd的迁移受颤蚓扰动影响更大。Cu和Cd在体系中的迁移接近第一次平衡后,向体系添加新生生物膜,水相中的Cu和Cd平衡浓度再次下降并稳定在更低的浓度,固相物质向水相释放的Cu和Cd主要被新生物膜和悬浮颗粒物富集。迁移接近第二次平衡后,控制水相pH使之下降,水相中Cu和Cd浓度明显增大,主要来自固相物质的释放,其中沉积物释放量随颤蚓生物量增大而增大。综上,颤蚓扰动可显著增大表层沉积物对于水相中Cu和Cd的富集能力以及沉积物对已富集的Cu和Cd的储存厚度,并对于共存的生物膜产生一定的竞争影响,同时颤蚓扰动对于水相中悬浮颗粒物总量的增大也提高了固相物质对于Cu和Cd的保持量。综上所述,添加颤蚓的体系中沉积物内源重金属的释放量和对于外源重金属的富集量相比空白组均显著增大,同时水相中可产生更多的悬浮颗粒物,而悬浮颗粒物不仅作为重金属的富集介质,其作为水环境中固相介质间物质交换的载体的功能对于共存体系间重金属的迁移动态性有重要意义。此外,重金属在水环境中迁移接近平衡后,添加颤蚓的体系中固相物质相比空白组富集储存了更多的重金属。颤蚓扰动可直接增大沉积物与水相的物质交换作用,同时通过溶解作用和颗粒物传递的形式间接影响共存于同一水相的生物膜和悬浮颗粒物,使整个水环境体系中的物质循环更具动态性,而这些物质循环伴随的重金属迁移和固定也更加复杂多变。


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