海洋沉积物地球化学特性对重金属生物可利用性的影响研究

论文摘要

在判断海洋沉积物中重金属的生物毒性的过程中,重金属的生物可利用性是必须要考虑的关键因素,因为同一浓度的金属污染物在不同区域和不同时期的沉积物中可以表现出不同程度的毒性。沉积物中重金属的各个结合相对固定重金属,降低其生物可利用性起着各自不同的作用。90年代初,酸挥发性硫化物（acid volatile sulfide,AVS）被发现可以按照等摩尔比例对二价重金属进行固定,通过测定酸挥发性硫化物和同步提取金属（simultaneously extracted metals,SEM）,可以确定重金属的潜在生物可利用性。 本研究中,实验用沉积物基质取自大连龙王塘河口区域,用于一系列沉积物金属加标实验;急性毒性检验用的底栖生物日本大螯蜚取自小平岛滩涂区域,在实验室驯化培养后用于生物急性毒性实验,以此确定金属污染物在海洋沉积物中的分布特征和结合程度。同时还选择了锦州湾这个金属污染较严重的海区作为与实验室进行对比和验证的现场实验区,通过采集和分析锦州湾的沉积物和间隙水样品,确定酸挥发硫化物在固定金属,降低其生物可利用性方面发挥的作用。为了更准确地描述海洋沉积物中金属的生物可利用性,对另外两个在海洋沉积物环境中可能对金属的生物可利用性造成影响的因素也进行了初步的研究,它们分别是物理影响因素—沉积物的粘土矿物和化学影响因素—沉积物中有机质的含量。 实验室和现场的研究结果显示,总体上,生物急性毒性实验的结果与生物可利用性的预测结果具有很好的吻合性,SEM与AVS的差值（SEM-AVS）仍能基本上对沉积物中金属的生物可利用性进行正确的评估。即,当同步提取金属SEM与酸挥发性硫化物AVS的差值（SEM-AVS）小于0 μmol/g干重时,金属在沉积物间隙水中的浓度非常低,而且在生物急性毒性试验中也很少发现生物致死的现象。相反,当二者的差值（SEM-AVS）大于0 μmol/g时,金属在沉积物间隙水中的浓度则明显升高,而且在生物急性毒性试验中受试生物致死率迅速增加。 在本研究中,沉积物中粘土矿物对金属的强吸附作用也是影响金属生物可利用性的主要因素之一,在Cd、Cu和Zn的金属加标实验中发现,在沉积物中AVS被金属耗尽后的很长一段金属浓度增长范围内,粘土矿物的存在仍然使金属在间隙水中的浓度水平保持在较低的水平,而且粘土矿物对不同金属的吸附表现出不同的亲合性。 在本研究中,沉积物中有机质对Cd的影响不明显,对Cu则效果显著,有机质含量的增加能够大幅提高Cu在间隙水中的浓度,有机质影响金属生物可利用

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 沉积物中金属生物可利用性的研究进展
• 1.1 污染的海洋沉积物
• 1.1.1 沉积物污染的表现形式
• 1.1.2 沉积物污染的严重性
• 1.2 沉积物中金属结合的类型
• 1.2.1 沉积物中化学相的分类
• 1.2.2 矿物碎屑中的重金属
• 1.2.3 重金属沉淀
• 1.2.4 阳离子的交换与吸附
• 1.2.5 水合铁锰氧化物和硫化铁上的吸附与共沉淀
• 1.2.6 金属和有机物的结合
• 1.3 沉积物中重金属的释放
• 1.3.1 咸水与沉积物的相互作用
• 1.3.2 氧化还原条件的变化和金属的释放
• 1.3.3 因微生物活动引起的重金属释放
• 1.4 基于生物可利用性的沉积物金属质量评估方法
• 1.4.1 基于生物毒性的方法
• 1.4.2 生物群落法
• 1.4.3 生物蓄积实验
• 1.4.4 化学浓度与生物响应耦合法
• 1.4.5 基于平衡分配理论的方法
• 1.5 研究目的、研究方法和研究内容
• 参考文献
• 2 酸挥发性硫化物对金属生物可利用性的影响研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 实验主要试剂及仪器
• 2.1.2 样品采集与处理
• 2.1.3 沉积物的有毒金属加标技术
• 2.1.4 间隙水的采集及测定技术
• 2.1.5 酸挥发性硫化物（AVS）及同步萃取金属（SEM）的测定
• 2.1.6 沉积物的粒度测定方法
• 2.1.7 沉积物中有机质的测定方法
• 2.1.8 有毒金属加标沉积物的急性毒性检验方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 沉积物的特征参数测定
• 2.2.2 间隙水中金属浓度对沉积物加标量的响应
• 2.2.3 硫化物影响金属生物可利用性的地球化学解释
• 2.2.4 AVS对有毒金属Cu化学活性的影响
• 2.2.5 沉积物金属生物可利用性评价参数的确定
• 2.2.6 日本大螯蜚（G.japonica）的生物急性毒性检验
• 2+浓度与有毒金属浓度的关系'>2.2.7 间隙水中Fe²⁺浓度与有毒金属浓度的关系
• 2.2.8 不同区域沉积物中AVS对金属生物可利用性的影响
• 2.2.9 不同季节沉积物中AVS对金属生物可利用性的影响
• 2.3 小结
• 参考文献
• 3 粘土矿物和有机质对沉积物中金属生物可利用性的影响
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 研究区域
• 3.1.2 沉积物的采集
• 3.1.3 人工沉积物的配制及有毒金属加标方法
• 3.1.4 金属和AVS含量的测定
• 3.1.5 粘土和有机质的测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 沉积物的特征参数测定
• 3.2.2 粘土矿物影响金属生物可利用性的地球化学解释
• 3.2.3 沉积物中粘土含量对金属生物可利用性的影响
• 3.2.4 有机质影响金属生物可利用性的地球化学解释
• 3.2.5 有机质对Cd和Cu生物可利用性的影响
• 3.3 小结
• 参考文献
• 4 锦州湾现场验证实验
• 4.1 研究区概况
• 4.2 样品的采集与处理
• 4.3 结果和讨论
• 参考文献
• 5 结论、创新点和建议
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 建议
• 博士学习期间学术论文发表情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书