外源硫酸盐对武汉南湖沉积物磷迁移特性的作用

【摘要】：湖泊富营养化是突出的水环境问题,水-沉积物界面是水和沉积物之间的转换区,是水环境的一个特殊而重要的区域。一方面,当湖泊的外源污染得到控制后,作为内源的沉积物成为水体磷的重要来源。另一方面,硫酸盐输入湖泊日益加剧,这种情况将会对湖泊内源磷具体的迁移转化产生影响。本课题以水-沉积物界面为研究对象,选取南湖沉积物及相应上覆水,通过实验室模拟,进行了外源硫酸盐对沉积物磷循环影响的研究,主要结论如下： (1)硫酸盐还原作用显著改变了南湖沉积物的理化性质,对影响沉积物磷释放的因素pH和Eh产生了重要影响,硫酸盐还原菌(Sulfate reduction bacteria,SRB)在还原硫酸盐过程中,表层沉积物pH值显著升高。Eh和pH存在一个负相关关系,硫酸盐输入使表层沉积物的Eh显著降低。 (2)S042-还原产物主要是酸可挥发性硫(Acid volatile sulfide,AVS)(主要为H2S、FeS)和铬还原态硫,这些物质通常以沉淀形式滞留在沉积物中。实验初期,AVS是主要存在形式,后期由于FeS+S0→FeS2的发生,AVS转化为更稳定的FeS2。AVS含量与沉积物Eh有显著相关性,在本研究中,实验后3周,pH降低,Eh值升高时,AVS含量下降。 (3)硫酸盐还原指数(Sulfate reduction index,SRI)随着SO42-输入浓度的增大而增大,即硫酸盐还原作用越来越强烈,同时,厌氧条件下SRB对有机质的降解加强,二者呈负相关关系,随着硫酸盐还原作用的进行,沉积物有机质被消耗,含量逐渐降低。 (4)在硫酸盐还原作用下,显著促进了活性有机磷(Labile organic phosphorus,LOP)矿化；随着Eh降低,沉积物中铁发生Fe(Ⅲ)→Fe(Ⅱ)的化学反应,Fe/P下降,铁结合态磷得以释放,同时,沉积物中AVS和FeS2的生成使与Fe结合的P043-发生释放,增加了水-沉积物界面的磷含量；另外,硫酸盐还原作用还使得沉积物pH值升高,OH-与磷酸盐阴离子竞争吸附位点,导致磷多以P043-形态存在,而不易被底泥吸附固定,使得溶解到水中的磷含量增加。实验中Ca2-P含量增加,可能是由于有机磷中的肌醇六磷酸钙发生矿化转化为Ca2-P。 (5)利用31P核磁共振(31P-NMR)测定了沉积物NaOH-EDTA萃取物中各种磷化合物的分子形态及相对含量。结果表明,南湖沉积物中的磷组分主要有正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯和焦磷酸盐组成,且正磷酸盐含量占绝对优势,含量高达84.1-95.5%,生物磷含量顺序为磷酸单酯磷酸二酯焦磷酸盐。SRB大量增殖时,硫酸盐还原作用可以显著促进沉积物中的正磷酸盐向上覆水中释放。