河口沉积物_水界面重金属生物地球化学研究进展_陈宗团

第12卷第5期1997年10月

地球科学进展

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Vo l.12　No.5

Oct.,1997河口沉积物—水界面重金属

生物地球化学研究进展?

陈宗团　徐　立　洪华生

(厦门大学国家教委海洋生态环境开放研究实验室　厦门　361005)

摘　要　河口区既是人类排污物的主要汇集地,又是单向流体和双向流体相互作

用的场所,三者构成一个复杂而多变的地球化学物理场。在这里因一定的物理、化

学和生物化学作用使来自陆地的重金属污染物从水体中沉降下来,进入底部沉积

物即积累过程,又会因类似的作用使这些金属从沉积物中活化而再次进入水体即

释放过程,产生所谓的“二次污染”,河口沉积物水界面过程调控着这一体系的方向

与限度。对该领域在过去几年里的主要研究成果进行阐述,进而指明该领域研究中

有待解决的问题。

关键词　沉积物—水界面过程　重金属　沉积物　生物地球化学循环

分类号　P343.5/P593

全球有二分之一左右的工业城市座落在河口及邻近地区,优越的自然条件给这些城市的发展带来了机遇,但是城市的发展带来的巨量“三废”物质反过来又给它们赖以生存的河口及邻近海域带来严重污染。这些污染物进入水体后除了直接对水生生物和通过食物链影响人类的健康外,长期积累在水底沉积物中的污染物又会由于界面环境条件的变化诸如孔隙水酸碱度、有机质的分解和生物活动等而再次进入水体,构成“二次污染”。由于沉积物具有积累功能,这种“二次污染”可能会出现灾难性的事件,所以研究沉积物水界面作用过程中污染物的循环就显得尤为重要。基于这一原因,在过去二十年里,重金属的行为机理一直是环境学者的热门课题。本文意在对过去的研究成果进行简要的阐述,并尝试指明其存在的问题和将来的发展方向。

1　河口沉积物—水界面重金属的积累与释放

粘土、有机质和氧化物的活性表面对重金属的行为产生极其重要的影响。被粘土、有机质和氧化物结合的重金属随这些物质进入水底之后经受着界面过程的改造,这种界面过程包括吸附与解吸作用、沉淀与溶解作用、分配作用、离子交换作用、氧化还原反应和生物作用

?第一作者简介:陈宗团,男,1961年10月出生,副研究员,主要从事近海生物地球化学研究。

收稿日期:1996-10-15;修改稿:1997-03-24

对重金属的降解、富集、金属的甲基与乙基化作用等,所有这些作用对重金属来说都会产生积累与释放两种过程。

Gibbs 认为亚马孙河口和育空河口的重金属主要有四种结合类型:①吸附;②与水合Fe 、M n 氧化物共沉淀;③被有机分子络合;④结合在晶格中〔1〕

。Stumm 等认为海水中金属存在形式可分为:自由金属离子;无机离子对与无机络合物;金属有机络合物;胶体化合物与胶体吸附物;有机沉淀颗粒和生物遗体等〔2〕。Tessier 等提出了一个后来受到广泛采用的用于连续浸取沉积物中金属存在形态分析程序,把固体颗粒态重金属存在形态分为:阳离子可交换态;碳酸盐结合态;水合铁锰氧化物结合态;硫化物及有机物结合态和矿物碎屑残留态〔3〕。在80年代,陈静生、许鸥泳、汤鸿霄〔4〕和金相灿等〔5〕完成了我国主要河流悬浮体及其沉积物的重金属形态分布,这一系列成果在他们出版的《中国水环境重金属研究》中得到了很好的总结。重金属形态的研究对于研究重金属对水环境的影响是极其重要的。“六五”期间国家投入巨大资金用于湘江水域重金属行为的研究,若把对环境几乎不构成影响的晶格态金属扣除掉,可以认为湘江水域的重金属污染并不是那么严重〔6〕。在水环境中金属的释放顺序为Cd>Cr>Pb>Cu>Zn>Ni>M n>Fe,载体的释放顺序为Fe 、Mn 氧化态>有机质结合态>粘土〔7〕。

沉积物中的污染物可与水体有机物产生多种络合作用,形成简单的络合物、螯合物、混合配体络合物、羰基络合物以及表面多配络合物。Singer 认为可溶性有机物对金属的行为有如下几种作用:①络合金属,增加金属的溶解度;②改变金属在氧化还原形态中的分配;③降低金属的毒性,改变金属的生物可利用性;④影响金属被悬浮物吸附的程度;⑤影响含金属胶体的稳定性〔8〕。

生物对重金属的行为有两方面:积累和释放。某些水生生物对水体中的金属具有很强的富集能力,这些生物死后下沉引起沉积物中重金属的积累。不同生物及同一种生物个体大小不同对金属的富集能力是不同的。Kumaqai 等测定Tapes Japonia 体内11种金属发现:①H g 、Cd 、Pb 、As 含量随体长增加;②Zn 、Cu 、Se 、Co 基本不变;③个别金属随体长而降低〔9〕。就Cu 、Pb 、Cd 而言,重金属含量最高的是环节动物,其次是甲壳动物,最低是鱼类。在九龙江口和厦门西海域,浮游植物体内的重金属含量与颗粒态金属呈正相关,Fe 、Cu 的富集系数较大〔10〕。Schunmacner 等发现西班牙Ebro 三角洲软体动物体中重金属含量特别高,而且夏天高于冬天〔11〕。

生物引起重金属释放主要是通过下列两条途径来实现的:其一,生物新陈代谢;其二,生物扰动。Cline 等认为重金属向上运移是由上覆沉积物的压缩作用和微生物共同作用引起的。他们认为孔隙水中细菌的作用是引起孔隙水中以有机态结合的金属发生降解的主要原因之一〔12〕。在界面处活动的细菌可以①把聚集的间隙水带出沉积物界面;②给水体带入含氧物质;③使颗粒物质易于迁移到沉积物表层或深层;④在沉积物中留下排泄物。这四种作用都会加速金属的转化。微生物对重金属的释放是多方面的,最主要表现在如下三个过程:①分解有机质,降低分子量,产生较易络合金属离子的有机质;②新陈代谢活动使环境条件发生变化如Eh 、p H ;③通过Eh 的变化使无机化合物变成金属有机络合物。

温度(T )、盐度(S )、E h 、p H 值是一些界面过程重金属行为的主要外部条件。T 、S 对

Cu 、Zn 在悬浮物中的分配有重要影响〔13〕。在北卡罗来纳州的New po rt 河口靠近陆地低盐度

区,溶解态M n 的含量远高于正常盐度区,而颗粒态M n 正好相反〔14〕。435第5期　陈宗团等:河口沉积物—水界面重金属生物地球化学研究进展