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

基于高分辨率技術的城市內(nèi)河沉積物中重金屬分布、遷移及生態(tài)風險綜合評價  

來源：未標注來源，相關說明如下：這篇預印本研究論文尚未經(jīng)過同行評審。

 

摘要內(nèi)容：  

本研究以佛山市雅窯水道沉積物為對象，采用薄膜擴散梯度技術（DGT）和高分辨率滲析技術（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。結合BCR連續(xù)提取法、DGT誘導沉積物通量（DIFS）模型及多種污染評價指標，評估了重金屬的遷移速率、污染水平和生態(tài)風險。結果表明：活性態(tài)重金屬主要與鐵錳（氫）氧化物結合，其中Zn、Ni、Cr與Fe/Mn呈顯著負相關（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）處凈擴散通量為正，釋放風險高；污染源以工業(yè)活動為主，農(nóng)業(yè)和生活源貢獻次之；綜合四種污染評價指標，Cd是污染最嚴重且生態(tài)風險最高的元素，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模型評估重金屬固-液相遷移機制  

 

通過BCR法解析重金屬生物有效性和化學形態(tài)  

 

綜合Igeo、RAC、RSP、RI指標評價生態(tài)風險  

 

結合相關性分析和PCA識別污染來源  

 

研究思路：  

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

 

 

應用DGT和HR-Peeper技術獲取毫米級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形態(tài)（圖4）  

 

DIFS模型計算動力學參數(shù)（R、Kd、Tc等，表S9）和SWI凈擴散通量（圖5）  

 

通過熱圖聚類和PCA解析污染源（圖6）  

 

綜合Igeo、RAC、RSP、RI進行污染評價（圖7）  

 

測量數(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)境促進重金屬溶解釋放。  

 

沉積物理化性質(zhì)（TN/TP/TS/TOC/粒度）：細顆粒物（粉粒占65-75%）的高比表面積增強重金屬吸附，TN/TP與重金屬顯著正相關指示營養(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動機制提供關鍵環(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換相關；Zn/Cr/Ni在SWI下濃度穩(wěn)定，反映同源地球化學行為；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，分布趨勢差異體現(xiàn)沉積物異質(zhì)性影響。  

 

   研究意義：高分辨率技術揭示重金屬遷移的微觀機制，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以殘渣態(tài)為主（>78%）。  

 

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

 

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

 

   研究意義：定量揭示Cd的高釋放風險與As的高遷移速率矛盾機制。  

     

     

污染源解析（圖6）  

 

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

 

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，指導源頭治理。  

     

風險評價（圖7）  

 

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

 

RAC：Zn高風險（生物有效性73.04%），Cd中風險  

 

RI：Cd生態(tài)風險"極高"（貢獻率最高），Cu次之  

 

   研究意義：多指標交叉驗證Cd為首要管控污染物。  

     

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的科研意義：  

氧化還原精細刻畫：通過毫米級分辨率剖面（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)境主導沉積物深層，解釋Fe/Mn氧化物還原溶解導致As/Cd釋放的機制。  

 

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

 

污染動力學基礎：提供DIFS模型關鍵輸入?yún)?shù)（如DO控制Fe/Mn氧化物穩(wěn)定性），支撐重金屬擴散通量計算（圖5）和釋放風險評估。  

 

結論：  

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

 

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

 

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

 

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

 

技術價值：Unisense微電極+DGT+HR-Peeper組合實現(xiàn)重金屬遷移的毫米級原位解析，為城市河流精準治污提供方法論支撐。