Transformation of organic micropollutants along hyporheic flow in bedforms of river-simulating flumes  

河流模擬水槽中床形內潛流路徑上有機微污染物的轉化  

來源：Scientific Reports volume 11, Article number: 13034 (2021)  

《科學報告》第11卷，文章編號13034（2021年）  

 

摘要內容

研究城市河流中有機微污染物在河床形態（如沙丘）誘導的潛流交換中的轉化行為。通過循環水槽實驗模擬三角沙丘，結合水動力模型和反應輸運模型，量化了不同潛流路徑（旅行時間11.5–43.3小時）中19種母化合物及轉化產物的降解動力學、阻滯系數及形成規律，并探討了微生物群落異質性和氧化還原分帶對污染物歸趨的影響。  

 

研究目的

1. 量化不同潛流路徑特征（如旅行時間）對母化合物降解的影響。  

2. 識別轉化產物（TPs）形成的條件及路徑特異性行為。  

 

研究思路

1. 實驗設計：搭建兩套循環水槽（Flume 1和Flume 2），填充河砂與柏林Erpe河沉積物混合物，構建三角沙丘床形，安裝孔隙水采樣器（Rhizon）于特定路徑點（圖1）。  

 

2. 污染物注入：注入31種微污染物，監測78天內表層水（SW）和孔隙水（PW）中濃度變化（采樣點位置見圖1）。  

3. 模型結合：  

   ? 水動力模型（圖5）模擬流徑長度、旅行時間分布。  

   ? 反應輸運模型擬合一級降解速率（k）和阻滯系數（R）。  

 

4. 多參數分析：  

   ? 化學分析：微污染物及TPs濃度（圖2）；營養鹽（NH??、PO?3?）、DOC（圖3）。  

   ? 微生物分析：細菌群落組成（圖4）及多樣性指數。  

   ? 溶解氧剖面：Unisense電極測量床形內氧分布。  

 

 

 

測量數據及來源

 

1. 微污染物濃度：  

   ? 母化合物（如卡馬西平、氫氯噻嗪）及TPs（如纈沙坦酸、卡馬西平-10,11-環氧化物）在SW和PW中的濃度-時間曲線（圖2）。  

 

2. 營養鹽與DOC：  

   ? NH??、PO?3?沿流徑遞增（圖3），反映氧化還原分帶（如Sampler C處于鐵還原區）。  

 

3. 微生物群落：  

   ? 門水平相對豐度（圖4），藍藻在Flume 2中豐度更高（第21天達31%）。  

 

4. 溶解氧剖面：  

   ? 床形內毫米尺度缺氧，Sampler A位于弱氧化區下游。  

 

數據研究意義

 

1. 微污染物濃度：揭示路徑特異性降解（如索他洛爾在短路徑半衰期僅0.7小時）及TPs形成熱點（如Sampler D對纈沙坦酸的高凈形成）。  

2. 營養鹽/DOC：證實氧化還原梯度驅動氮磷轉化（如Sampler A附近硝化作用）。  

3. 微生物數據：解釋降解差異（如Flume 2藍藻豐度高導致美托洛爾酸轉化率低）。  

4. 溶解氧數據（Unisense電極）：  

   ? 毫米級分辨率：明確氧在沉積物表層數毫米內耗盡，界定氧化-缺氧過渡帶。  

 

   ? 路徑氧化還原狀態：結合流徑模型（圖5），量化短路徑（如Sampler A）因接近滲入區而具有微弱氧化潛力，長路徑（如Sampler C）處于強還原區。  

 

   ? 降解機制關聯：為母化合物降解趨勢（如阿司帕坦在短路徑降解最快）提供氧化還原解釋，并闡明TPs形成對缺氧條件的依賴性（如1-甲基-1H-苯并三唑在Sampler B/C高凈形成）。  

 

結論

 

1. 路徑特征主導降解：短路徑（如Sampler A，中值旅行時間11.5小時）因弱氧化條件促進母化合物降解（如索他洛爾DT??=0.7小時），長路徑（如Sampler C，43.3小時）因缺氧降解減緩。  

2. 微生物異質性關鍵：床形間微生物組成差異（如Flume 2藍藻豐度高）導致化合物特異性響應（如美托洛爾酸濃度在Flume 2顯著更低）。  

3. TPs形成機制：TPs（如纈沙坦酸）在特定路徑（如Sampler D）高凈形成，表明其形成依賴局部微生物群落而非氧化還原條件。  

4. 潛流帶核心作用：微污染物主要在潛流帶降解（PW中DT??多低于SW），厘米尺度流場和微生物異質性是主要控制因素。