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典型地区生物粪土沉积物中砷形态和相态分布研究

楼创能  
【摘要】:众所周知,海鸟在陆地和海洋生态系统之间扮演着“生物泵”的角色,是一些偏远沿海地区重要的营养物质传输媒介之一。与此同时,大量有毒污染物(例如重金属)也随着海鸟的聚居行为而在其栖息地环境中富集,并可能对当地生态系统造成潜在的威胁。截至目前,关于海鸟栖息地环境中砷、汞、镉等元素的环境地球化学研究还停留在总量的阶段。本研究中,我们首次分析了海鸟粪土沉积物中砷的形态和相态分布,并对砷、汞、镉等鸟类活动来源的重金属污染状况进行了初步的生态风险评估。研究结果将有助于我们更好地理解这些生物泵作用来源的重金属在南极地区企鹅栖息地环境中的环境地球化学行为以及它们所带来的潜在生态风险。1.海鸟粪土沉积物中砷形态化学分析法的建立在偏远的沿海岛屿地区,海鸟粪是当地生态系统中重要的营养物质来源之一,但与此同时鸟粪所带来的污染物(例如砷)也可能会对当地的生态系统和公众健康造成潜在的威胁。本研究中,我们建立了一种新的分析方法来测定鸟粪和粪土沉积物中的砷形态分布。我们使用1.0 mol L-1磷酸和0.1 mol L-1抗坏血酸的混合溶液作为提取剂,微波提取后用高效液相色谱——原子荧光联用(HPLC-HG-AFS)的方法测定样品中As(Ⅲ)(亚砷酸盐)、DMA(二甲基砷酸盐)、MMA(一甲基砷酸盐)和As(Ⅴ)(砷酸盐)4种不同砷形态的含量。在优化后的实验条件下,样品中4种砷形态之和相对总砷所占比例超过80%,结果表明应用该方法对粪土沉积物进行砷形态分析可以获得良好的提取效率。该方法中As(Ⅲ).DMA.MMA和As(Ⅴ)的相对标准偏差(RSDs)分别为9.60%、6.15%、6.34%和2.93%(n=7),4种砷形态的检出限分别为0.82、2.38、1.45和2.31μgL-1。此外,我们成功应用该方法测定了采自中国南海西沙地区鸟粪样品中的砷形态分布,结果表明现代鸟粪和古鸟粪中砷形态分布分别以As(Ⅲ)和As(Ⅴ)为主导。2.东南极罗斯海地区海鸟粪土沉积物中砷形态分布及影响因素海鸟粪土沉积物中富集毒性元素As,对栖息地生态系统造成潜在的威胁。本研究中,我们对采自东南极罗斯海地区的3个受企鹅粪影响的沉积剖面MB6、BI和CC进行了总砷和砷形态分析。结果显示3个剖面中总As和总P含量的分布呈现很好的一致性,表明企鹅粪输入是控制粪土沉积物中总砷分布的主要因素。此外,我们发现MB6和CC剖面中砷主要以As(V)的形态存在,而在BI剖面中As(Ⅲ)占据主导地位。与之不同的是,新鲜鸟粪样品中砷主要以DMA的形式存在,我们推测鸟粪被企鹅排出后所经历的后期成岩蚀变过程是造成新鲜鸟粪和沉积物样品中砷形态组成存在明显差异的主要原因。基于对所研究粪土沉积物的沉积环境的进一步分析,我们发现氧化还原环境对粪土沉积物中的砷形态分布模式有重要影响。此外,MB6和BI剖面中As(Ⅱ Ⅰ)与Chla(叶绿素a)的含量分布具有很好的一致性,表明粪土沉积物中砷形态分布还可能受到水生藻类丰度的影响。3.西南极和西沙地区海鸟粪土沉积物中砷形态的初步分析关于西南极菲尔德斯半岛海鸟粪土沉积物(ADY2)以及背景对照沉积剖面(LL2)的砷形态分析结果表明,沉积物中的砷主要以无机形式存在。相关性分析结果表明,该剖面中总砷分布主要受企鹅粪输入的影响。粪土沉积剖面和鸟粪土中总P、TOC的平均值显著高于背景对照样品,表明海鸟活动对附近土壤和沉积物的理化性质和营养水平有重要影响。ADY2剖面和鸟粪土中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)的平均值显著高于背景对照样品,这可能与两者在氧化还原条件上的差异有关。西沙地区海鸟粪土沉积物中砷形态的分布模式与前述东南极罗斯海和西南极菲尔德斯半岛地区的生物粪土沉积物相似,As(V)占据主导地位。4.东南极和西沙地区海鸟粪土沉积物中砷、汞、镉相态分析为了评估海鸟生物泵作用带来毒性元素的迁移性以及它们所造成的潜在生态风险,我们对采自东南极罗斯海地区的3个粪土沉积剖面样品(MB6、Bl、CC)进行了As、Hg、Cd相态分析。分析结果显示样品中的As主要以残渣态的形式存在,Hg主要赋存于残渣态、有机结合态和腐殖酸结合态中,这表明粪土沉积物中As和Hg的迁移性较弱。然而对于Cd而言却有相当一部分以可交换态的形式存在,表明粪土沉积物中的Cd具有较强的迁移性。我们用沉积物环境质量基准(SQGs)对样品中As、Hg、Cd进行了初步的生态风险评估,结果表明较高浓度的As和Cd可能造成一定的生态风险,而Hg含量则处于安全范围内。通过应用生态风险评估模型(RAC),我们发现粪土沉积物中As、Hg、Cd亏染造成的生态风险分别对应适中、低、非常高的级别。其中鸟粪来源的有机质是影响沉积物中Hg和Cd迁移性的主要控制因子,具体过程可能与有机质对重金属的吸附、络合作用有关。关于西沙鸟粪珊瑚砂沉积物的重(类)金属相态分析表明,其中的As主要以残渣态的形式存在,Hg主要赋存于残渣态、腐殖酸结合态和有机结合态之中。两者的可交换态含量均较低,表明鸟粪珊瑚砂沉积物中As和Hg的迁移性能较弱。应用SQGs和RAC标准对粪土沉积物中As、Hg的生态风险进行了初步评估,结果表明低含量的As和Hg并未对当地生态系统造成不良的生物效应。


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