Tungsten migration and transformation characteristics in lake sediments under changing habitats from algae to macrophytes  

從藻類到水生植物的生境變化下湖泊沉積物中鎢的遷移和轉化特征  

來源：Journal of Hazardous Materials  

《危險材料雜志》  

 

摘要內容  

該研究探討了不同生境（藻類主導區與水生植物主導區）下湖泊沉積物中鎢（W）的遷移特性。發現藻類主導區的孔隙水中溶解態鎢的濃度和釋放通量顯著高于水生植物區，原因是藻源溶解有機質（DOM）與鎢競爭吸附位點，同時DOM促進鐵（Fe）/錳（Mn）氧化物的還原溶解，導致鎢釋放。水生植物通過吸收鎢和原位形成Fe(III)/Mn(IV)氧化物抑制鎢釋放。結論指出，水生植物能有效控制沉積物中鎢的釋放。  

 

研究目的  

評估不同生境（藻類和水生植物）對湖泊沉積物中鎢遷移行為的影響，揭示鐵錳氧化還原過程及DOM在鎢釋放中的作用機制，為淺水湖泊鎢污染控制提供科學依據。  

 

研究思路  

選擇中國陽澄湖不同生境區域（藻類區和水生植物區）的13個采樣點。  

 

使用高分辨率孔隙水采樣裝置（HR-Peeper）獲取沉積物孔隙水中溶解態W、Fe(II)、Mn的垂直分布（圖3、圖6）。  

 

 

 

結合微電極（丹麥Unisense）原位測定沉積物pH和溶解氧（DO）（圖2），分析氧化還原條件。  

 

 

通過連續提取法分析沉積物中鎢的化學形態（圖5、表1）。  

 

 

 

結合硫酸鹽濃度（圖2）和相關性分析，探討DOM、Fe/Mn氧化物對鎢遷移的影響機制。  

 

測量的數據及意義  

pH和DO（圖2）：  

藻類區上覆水和沉積物的DO濃度（88.42–156.10 μmol/L）略高于水生植物區（55.58–95.52 μmol/L），說明藻類光合作用增氧但死亡后導致缺氧。  

 

所有區域pH呈弱堿性（7.33–8.14），利于鎢以WO?2?形態存在。  

溶解態W、Fe(II)、Mn（圖3、圖6）：  

 

 

藻類區的溶解態W濃度（3.54–8.75 μg/L）顯著高于水生植物區（0.56–1.92 μg/L）。  

 

藻類區的Mn濃度（2.60–5.04 mg/L）高于植物區（0.94–3.65 mg/L），Fe(II)則相反（藻類區1.19–2.52 mg/L vs. 植物區2.14–6.18 mg/L），表明Fe/Mn氧化物還原溶解促進W釋放。  

W化學形態（圖5、表1）：  

 

藻類區殘渣態（F5）占比（42.61%）低于植物區（59.71%），而Fe/Mn結合態（F3+F4）更高（55.72% vs. 38.69%），說明藻類區W更易釋放。  

硫酸鹽濃度（圖2）：  

 

藻類區硫酸鹽還原促進Fe(II)與S2?形成硫化鐵沉淀，降低Fe(II)濃度，但Mn因硫化錳不穩定仍保持較高溶解態。  

 

結論  

藻類區沉積物中W釋放風險更高，DOM競爭吸附位點和Fe/Mn氧化物還原溶解是主因。  

 

水生植物通過吸收W和根際氧化形成Fe/Mn氧化物，抑制W釋放。  

 

控制藻類暴發并恢復水生植物是控制湖泊沉積物W釋放的有效措施。  

 

丹麥Unisense電極數據的意義  

使用Unisense微電極原位高分辨率測定沉積物pH和DO，具有以下研究價值：  

揭示氧化還原微界面：DO的垂向分布（圖2）顯示藻類區表層因光合作用富氧，但深層因藻類降解耗氧，導致Fe/Mn氧化物還原溶解，直接關聯W釋放。  

 

解析Fe/Mn循環機制：DO濃度與Fe(II)、Mn的負相關性（藻類區DO高但Fe(II)低，植物區DO低但Fe(II)高）表明，植物根際分泌氧氣促進Fe(II)/Mn(II)氧化為Fe(III)/Mn(IV)氧化物，增強對W的吸附固定。  

 

支撐模型構建：pH和DO數據為解釋鎢形態轉化（如WO?2?在堿性條件下的穩定性）和釋放通量計算（基于Fick定律）提供了關鍵環境參數。