磷酸盐共存条件下溶解性有机质对沉积物悬浮液中重金属迁移的影响

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重金属对湖泊生态环境的危害与其迁移密不可分,重金属在湖泊水体及沉积物中的迁移行为已被广泛研究,而重金属在沉积物悬浮液中迁移机制的研究相对缺乏。此外,部分湖泊受重金属污染与湖泊富营养化双重危害,湖泊富营养化通常归因于高浓度磷酸盐且伴随着高浓度的溶解性有机质(DOM),二者均可对湖泊中重金属的迁移产生较大的影响。因此,为探究磷酸盐和DOM对沉积物悬浮液中重金属迁移的影响,首先通过沉积物悬浮液模拟试验分析了DOM对沉积物悬浮颗粒吸附Cu2+的影响机制;然后通过构建磷酸盐、DOM与Cu2+共存的水溶液体系,利用多光谱技术分别研究了磷酸盐对Cu2+与DOM络合作用的影响机制以及DOM对Cu2+与磷酸盐的沉淀反应的抑制作用机制;最后在以上研究的基础上,通过室内模拟富营养湖泊沉积物悬浮液进行Cu2+吸附试验,探究磷酸盐共存条件下,DOM对沉积物悬浮颗粒吸附Cu2+的影响与机制。本研究旨在完善磷酸盐和DOM对重金属在富营养湖泊沉积物悬浮液中迁移的影响及相关机制,为防护和治理受到重金属污染的富营养湖泊提供理论参考。研究的主要结论包括:(1)DOM作用能够提高沉积物悬浮颗粒对Cu2+的吸附量,但被吸附Cu2+在再悬浮过程中易再次释放。在沉积物DOM或富里酸的作用下,吸附48 h后,被吸附Cu2+的质量分数从71.51%(对照组)分别提高到85.69%和75.31%,但再悬浮过程中被吸附Cu2+的释放量始终高于对照组。通过对吸附反应过程中DOM的紫外-可见光谱(UV-Vis)数据和Cu2+浓度进行分析发现,Cu2+与DOM存在先络合后解离的过程,沉积物悬浮颗粒既能吸附Cu2+又能吸附Cu2+与DOM的络合物。通过对DOM的荧光激发发射矩阵进行平行因子(EEM-PARAFAC)分析表明,以类蛋白组分为主的沉积物DOM比以类腐殖酸为主的富里酸对沉积物悬浮颗粒吸附Cu2+的促进作用更强。再通过对DOM的同步荧光光谱(SFS)进行二维相关分析(2D-COS)表明,类蛋白组分中的类酪氨酸组分在促进吸附过程中优先发挥作用。(2)磷酸盐能够抑制Cu2+与DOM络合,且能够影响Cu2+与DOM的络合机制。磷酸盐通过与Cu2+反应减少可与DOM络合的Cu2+量,且Cu2+与DOM的络合量随磷酸盐浓度升高而降低。EEM-PARAFAC分析结果表明,Cu2+浓度从0增加到5.0 mg·L-1时,50μmol·L-1磷酸盐处理组的酪氨酸荧光组分、类腐殖酸荧光组分和色氨酸荧光组分的荧光强度减少量分别是无磷酸盐对照组的36.46%、57.34%和74.70%,因此磷酸盐抑制了Cu2+对DOM中荧光组分的猝灭作用。对傅立叶红外光谱(FTIR)数据进行2D-COS表明,无磷酸盐作用时DOM上有机配体与Cu2+的结合顺序为碳水化合物C-O>酰胺(Ⅰ)N-H>酚羟基OH,而在50μmol·L-1的磷酸盐影响下的结合顺序为酚羟基OH>酰胺(Ⅰ)N-H>碳水化合物C-O,因此磷酸盐改变了Cu2+与DOM上的有机配体的结合顺序。(3)DOM能够限制水溶液中磷酸盐与Cu2+的沉淀反应,而DOM的不同组分所起的作用具有差异。50μmol·L-1磷酸盐能使50μmol·L-1的Cu2+沉淀51.61%,而在DOC浓度为5 mg·L-1的富里酸的干扰下,被沉淀Cu2+的质量分数为29.75%。EEM-PARAFAC分析表明,类腐殖酸荧光组分和类蛋白荧光组分都能够限制磷酸盐与Cu2+的沉淀反应,而类腐殖酸荧光组分所起的作用大于类蛋白荧光组分。2D UV-Vis COS表明,DOM上吸收短波长光的官能团优先对磷酸盐与Cu2+的沉淀反应产生影响。(4)磷酸盐和DOM双重作用能够提高沉积物悬浮颗粒对Cu2+的吸附量且使Cu2+稳定于沉积物颗粒表面。通过室内模拟沉积物悬浮液,在磷酸盐和沉积物DOM的作用下,吸附48 h后,被吸附的Cu2+的质量分数从71.51%(对照组)提高到了94.61%。相比之下,磷酸盐和富里酸溶液共同作用时,被吸附的Cu2+的质量分数相对较低,为87.63%。结合EEM-PARAFAC分析表明,磷酸盐和以类蛋白荧光组分为主的DOM共同作用比磷酸盐和以类腐殖酸荧光组分为主的DOM共同作用更能促进沉积物悬浮颗粒对Cu2+的吸附。与DOM单独作用时不同的是,在再悬浮过程中Cu2+的释放量低于无磷酸盐参与的对照组,因此磷酸盐能促进沉积物悬浮颗粒表面被吸附Cu2+的稳定。综合以上,在磷酸盐共存条件下,DOM仍能促进水溶液中Cu2+的迁移,但也能促进沉积物悬浮液颗粒吸附Cu2+,以类蛋白荧光组分为主的DOM比以类腐殖酸荧光组分为主的DOM更利于Cu2+在沉积物悬浮液中的稳定化。
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