外源硫酸盐对武汉墨水湖沉积物营养盐和重金属的作用

摘要

湖泊沉积物是水体污染物的源和汇，水体中污染物在外源输入得到良好控制下，内源释放引起的水体富营养化和重金属污染等问题日益突出。随着酸沉降、酸性采矿废水排放以及含硫酸盐肥料的施用，湖泊水体硫酸盐浓度剧增，硫酸盐输入对水体营养水平的作用与人类和生态健康密切相关。本研究以武汉墨水湖上覆水和沉积物为研究对象，输入500 mg/L硫酸盐，以不输入硫酸盐为对照，通过6周的室内模拟实验，研究外源硫酸盐对沉积物氮磷和重金属的影响以及硫酸盐的归趋，主要结论如下:
　　 (1) SO42-的输入改变了墨水湖上覆水和沉积物的理化性质，硫酸盐还原过程产生了碱度，系统中pH显著升高，Eh显著降低。随着沉积物深度增加，pH变化逐渐减小，Eh降低到最低值的时间缩短，整体上pH和Eh呈负相关。后期，硫酸盐还原作用减缓，系统中各项变化趋于平稳。
　　 (2) SO42-的输入促进了硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）的增殖和生长，SO42-被SRB还原生成了H2S、S0、酸可挥发性硫化物(acid-volatile sulfide，AVS)和铬还原硫(主要为FeS2)等中间价态的硫。整体上AVS呈逐渐下降的趋势，S0和铬还原硫则呈逐渐升高的趋势。沉积物上层受到SO42-的影响尤为剧烈，实验组AVS的降低值是对照组的1/2.76，S0和铬还原硫的增加值分别是对照组的1.56和2.38倍。AVS和铬还原硫皆呈负相关，且都达到了显著或极显著的水平。此外硫酸盐还原过程中，消耗了由厌氧发酵等途径产生的乙酸等小分子酸。
　　 (3)硫酸盐还原作用促进了沉积物中氮和磷的释放。沉积物间隙水中氨氮的浓度随沉积物深度的增加呈逐渐递增的趋势，可溶性磷(Soluble ReductivePhosphorus，SRP)的浓度随时间呈先升高后降低的趋势，其最大值是对照组的4.53倍。沉积物中磷的释放量为上层＞中层＞下层。沉积物间隙水中SRP的浓度与沉积物中总磷和无机磷皆呈负相关，且沉积物上层都达到了极显著水平。此外，水相中SRP与SO42-的浓度也呈负相关，且上覆水和沉积物上层间隙水分别达到了显著和极显著水平。
　　 (4)硫酸盐还原作用加强了有机质的分解，通过DET(Diffusive equilibrium inthin-films technique)/DGT(Diffusive gradients in thin-films technique)原位测定结果显示SO42-输入后促进了重金属向水相释放，其释放量为Fe＞Mn＞Cu，沉积物中Fe、Mn、Cu的变化强度为上层＞中层＞下层，其浓度随时间皆呈先升高后降低的趋势，且上覆水中Fe和SRP呈极显著正相关。实验后期实验组上覆水和沉积物上层间隙水中Fe、Mn、Cu的生物有效性浓度较对照组低，底层沉积物受到外源SO42-的影响较小。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 我国湖泊的污染现状

1．1．1 湖泊中营养盐

1．1．2 湖泊中重金属

1．2 湖泊中硫的来源与循环

1．2．1 湖泊中硫的来源

1．2．2 湖泊生态系统中的硫循环

1．2．3 SRB在硫循环中的作用

1．2．4 硫酸盐还原过程的危害及影响因素

1．3 硫酸盐还原过程对营养盐和重金属的作用

1．4 DET／DGT在营养盐和重金属测量中的应用

1．5 研究目的与内容

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2 材料与方法

2．1 样品采集

2．2 实验设计

2．3上覆水和沉积物的基本性质

2．4 实验指标及测定方法

2．4．1 上覆水和沉积物的基本理化-陛质

2．4．2 沉积物的有机质

2．4．3 上覆水和沉积物间隙水SO42-、SRP和NO3-

2．4．4 沉积物中总磷和无机磷

2．4．5 上覆水和沉积物间隙水NH4+-N

2．4．6 上覆水和沉积物间隙水有机酸

2．4．7 重金属

2．4．8 上覆水中硫化物

2．4．9 沉积物中SRB

2．4．10 沉积物中S0

2．4．11 沉积物中AVS和铬还原硫

2．4．12 数据统计分析方法

2．5 主要仪器和设备

3 SO42-输入后基本理化性质的变化

3．1 SO42-输入对上覆水pH和Eh的影响

3．2 SO42-输入对沉积物pH和Eh的影响

3．2．1 沉积物中pH的变化特征

3．2．2 沉积物中Eh的变化特征

3．3 SO42-输入对上覆水碱度的影响

3．4 小结

4 SO42-输入后的归趋

4．1 上覆水和沉积物间隙水硫形态的变化

4．1．1 上覆水和沉积物间隙水中SO42-的变化

4．1．2 上覆水中硫化物的变化

4．2 沉积物中硫形态的变化

4．2．1 沉积物中S0的变化

4．2．2 沉积物中AVS和铬还原硫的变化

4．3 沉积物中SRB的变化

4．4 硫酸盐还原过程中小分子有机酸(草酸和乙酸)的变化

4．5 小结

5 SO42-输入后营养盐的变化

5．1 沉积物中有机质的变化

5．2 沉积物中总磷和无机磷

5．3 上覆水和沉积物间隙水SRP的变化

5．4 沉积物中总氮的变化

5．5 上覆水和沉积物间隙水NO3--N和NH4+-N的变化

5．5．1 上覆水和沉积物间隙水NO3--N的变化

5．5．2 上覆水和沉积物间隙水NH4+-N的变化

5．6 小结

6 SO42-输入对重金属的作用

6．1 上覆水、沉积物间隙水中和沉积物中Fe的变化

6．2 上覆水、沉积物间隙水中和沉积物中Mn的变化

6．3 上覆水、沉积物间隙水中和沉积物中Cu的变化

6．4 SO42-输入对重金属生物有效性的作用

6．5 小结

7 结论和展望

7．1 结论

7．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表文章情况

致谢