Comprehensive evaluation of the distribution, transport and ecological risk of heavy metals in intra-urban river sediments using high-resolution techniques  

基于高分辨率技術(shù)的城市內(nèi)河沉積物中重金屬分布、遷移及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)  

來源：未標(biāo)注來源，相關(guān)說明如下：這篇預(yù)印本研究論文尚未經(jīng)過同行評(píng)審。

 

摘要內(nèi)容：  

本研究以佛山市雅窯水道沉積物為對(duì)象，采用薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）和高分辨率滲析技術(shù)（HR-Peeper）獲取了沉積物中溶解態(tài)和活性態(tài)Fe、Mn、Cd、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、As、Co的垂向分布特征。結(jié)合BCR連續(xù)提取法、DGT誘導(dǎo)沉積物通量（DIFS）模型及多種污染評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估了重金屬的遷移速率、污染水平和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：活性態(tài)重金屬主要與鐵錳（氫）氧化物結(jié)合，其中Zn、Ni、Cr與Fe/Mn呈顯著負(fù)相關(guān)（p<0.001）；溶解態(tài)重金屬濃度普遍高于活性態(tài)，且分布趨勢(shì)存在差異；表層沉積物中重金屬總量顯著高于背景值；Cd的生物有效性最高（89.17%），其沉積物-水界面（SWI）處凈擴(kuò)散通量為正，釋放風(fēng)險(xiǎn)高；污染源以工業(yè)活動(dòng)為主，農(nóng)業(yè)和生活源貢獻(xiàn)次之；綜合四種污染評(píng)價(jià)指標(biāo)，Cd是污染最嚴(yán)重且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高的元素，其次是Cu、Zn、Ni和As。  

 

研究目的：  

揭示雅窯水道沉積物中重金屬的垂向分布特征  

 

基于DIFS模型評(píng)估重金屬固-液相遷移機(jī)制  

 

通過BCR法解析重金屬生物有效性和化學(xué)形態(tài)  

 

綜合Igeo、RAC、RSP、RI指標(biāo)評(píng)價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)  

 

結(jié)合相關(guān)性分析和PCA識(shí)別污染來源  

 

研究思路：  

采集6個(gè)斷面沉積物柱狀樣（圖1），原位測(cè)量pH/Eh/DO剖面（丹麥Unisense微電極）  

 

 

應(yīng)用DGT和HR-Peeper技術(shù)獲取毫米級(jí)分辨率重金屬分布數(shù)據(jù)（圖3）  

 

BCR連續(xù)提取法分析重金屬化學(xué)形態(tài)（圖4）  

 

DIFS模型計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)（R、Kd、Tc等，表S9）和SWI凈擴(kuò)散通量（圖5）  

 

通過熱圖聚類和PCA解析污染源（圖6）  

 

綜合Igeo、RAC、RSP、RI進(jìn)行污染評(píng)價(jià)（圖7）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

環(huán)境參數(shù)（圖2，表1）  

 

 

 

丹麥Unisense微電極測(cè)量pH/Eh/DO垂向剖面：揭示沉積物氧化還原分層特征，DO<5 mg/L的缺氧環(huán)境促進(jìn)重金屬溶解釋放。  

 

沉積物理化性質(zhì)（TN/TP/TS/TOC/粒度）：細(xì)顆粒物（粉粒占65-75%）的高比表面積增強(qiáng)重金屬吸附，TN/TP與重金屬顯著正相關(guān)指示營(yíng)養(yǎng)鹽輸入加劇污染。  

 

   研究意義：為理解重金屬遷移的氧化還原驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供關(guān)鍵環(huán)境背景。  

     

重金屬分布（圖3）  

 

DGT活性態(tài)Fe/Mn在SWI處驟升，與沉積物氧化還原轉(zhuǎn)換相關(guān)；Zn/Cr/Ni在SWI下濃度穩(wěn)定，反映同源地球化學(xué)行為；As在氧化層被Fe/Mn氧化物吸附，在還原層釋放。  

 

HR-Peeper溶解態(tài)濃度普遍高于DGT值，分布趨勢(shì)差異體現(xiàn)沉積物異質(zhì)性影響。  

 

   研究意義：高分辨率技術(shù)揭示重金屬遷移的微觀機(jī)制，如As的氧化還原敏感特性。  

     

形態(tài)與遷移（圖4，圖5）  

 

BCR形態(tài)：Cd生物有效性最高（89.17%，F(xiàn)2+F3為主），As/Cr/Pb以殘?jiān)鼞B(tài)為主（>78%）。  

 

DIFS模型：R值（0.119-0.809）表明重金屬"部分持續(xù)"補(bǔ)給，As補(bǔ)給能力最強(qiáng)（R=0.554），Cd雖釋放庫(kù)大但補(bǔ)給速率慢。  

 

SWI凈通量：Mn/As/Cd通量為正（沉積物→上覆水），Zn/Cu/Ni通量為負(fù)（上覆水→沉積物）。  

 

   研究意義：定量揭示Cd的高釋放風(fēng)險(xiǎn)與As的高遷移速率矛盾機(jī)制。  

     

     

污染源解析（圖6）  

 

熱圖聚類：Ni-Zn-Cr顯著相關(guān)（p<0.001），指向電鍍冶金工業(yè)源；As-Mn同源關(guān)聯(lián)農(nóng)業(yè)活動(dòng)。  

 

PCA分析：PC1（66.98%）代表工業(yè)源（Cd/Co/Cr/Cu/Zn/Pb/Ni），PC2（13.64%）代表農(nóng)業(yè)源（As/Mn）。  

 

   研究意義：明確工業(yè)排放（上游Y5-Y6）為污染主因，指導(dǎo)源頭治理。  

     

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（圖7）  

 

Igeo：Cd污染最強(qiáng)（4.756，強(qiáng)-極強(qiáng)），其次為Cu（3.230，強(qiáng)）  

 

RAC：Zn高風(fēng)險(xiǎn)（生物有效性73.04%），Cd中風(fēng)險(xiǎn)  

 

RI：Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)"極高"（貢獻(xiàn)率最高），Cu次之  

 

   研究意義：多指標(biāo)交叉驗(yàn)證Cd為首要管控污染物。  

     

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的科研意義：  

氧化還原精細(xì)刻畫：通過毫米級(jí)分辨率剖面（圖2）揭示SWI處DO驟降（上覆水→沉積物從5 mg/L降至<1 mg/L），明確厭氧環(huán)境主導(dǎo)沉積物深層，解釋Fe/Mn氧化物還原溶解導(dǎo)致As/Cd釋放的機(jī)制。  

 

界面過程量化：Eh梯度變化（-100至200 mV）反映電子轉(zhuǎn)移活性，結(jié)合pH堿性遷移（上覆水弱酸→沉積物弱堿），預(yù)測(cè)重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化路徑（如As(V)在氧化層吸附→As(III)在還原層釋放）。  

 

污染動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)：提供DIFS模型關(guān)鍵輸入?yún)?shù)（如DO控制Fe/Mn氧化物穩(wěn)定性），支撐重金屬擴(kuò)散通量計(jì)算（圖5）和釋放風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。  

 

結(jié)論：  

分布特征：活性態(tài)Zn/Cr/Ni與Fe/Mn顯著負(fù)相關(guān)；溶解態(tài)濃度普遍高于活性態(tài)；上游工業(yè)區(qū)（Y5-Y6）重金屬總量超標(biāo)嚴(yán)重（Cd超背景值55.6倍）。  

 

遷移機(jī)制：Cd生物有效性最高（89.17%），但DIFS模型顯示其補(bǔ)給速率慢（R值低）；As/Mn釋放速率快；SWI處Cd/As/Mn凈擴(kuò)散通量為正。  

 

污染來源：工業(yè)排放（電鍍/金屬加工）為主源（貢獻(xiàn)率66.98%），農(nóng)業(yè)活動(dòng)為輔源（13.64%）。  

 

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)：Cd為極高風(fēng)險(xiǎn)（Igeo=4.756，RI=極高），其次為Cu/Zn/Ni/As；建議環(huán)境疏浚深度>22 cm。  

 

技術(shù)價(jià)值：Unisense微電極+DGT+HR-Peeper組合實(shí)現(xiàn)重金屬遷移的毫米級(jí)原位解析，為城市河流精準(zhǔn)治污提供方法論支撐。