硫酸盐对砷迁移转化影响的模拟研究

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砷(As)的生物可利用性、毒性和迁移转化过程强烈受控于它的形态,而硫元素是显著影响砷形态的因子之一,且硫酸盐介导的生物及非生物氧化还原反应对砷迁移转化过程具有很好的调控作用。本文以乌梁素海为研究对象,开展了室内模拟实验,分别探讨了冰封、非冰封期内低浓度硫酸盐对砷形态迁移转化过程的影响,并通过对比实验,模拟了冰封期与非冰封期微生物对砷迁移及其形态转化的影响机制;采用八步连续提取法考察了沉积物中砷形态的连续变化,引入结构方程模型,模拟分析了基于形态的沉积物‐水系统中砷的迁移转化路径,以期揭示不同条件下沉积物‐水系统中砷迁移转化及形态再分配过程的差异性影响,阐释硫酸盐介导的生物及非生物氧化还原对砷形态转化的作用,为厘清乌梁素海沉积物‐水界面中砷的迁移转化机制积累了基础资料。结论如下:(1)尽管非冰封期上覆水中各物质所释放浓度明显高于冰封期,但在冰封条件下上覆水中总砷浓度最高可达14.8 ug/L,释放速率最大为106 ug?m-2?d-1,说明冰封期微弱的微生物活性仍能使As表现出一定的释放能力,亦存在较大生态风险。(2)相较而言,低浓度硫酸盐介导的生物作用下,实验前期砷的释放浓度及还原速率较快,但后期上覆水中砷浓度明显低于灭菌组,表明实验前期微生物促进了砷的释放,但后期会增强对砷的固定作用。(3)培养周期内,沉积物中的S6和S7(氧化砷及硅酸盐结合态、黄铁矿和无定形雌黄(As2S3)结合态)的含量整体呈现降低的趋势,而S1、S2和S3(弱吸附态、强吸附态、AVS共沉淀、碳酸盐、锰氧化物及无定形铁氢氧化物结合态)均会逐渐上升,表现出稳定态向活性态转化的过程;同时非冰封有菌组中S6呈现“上升-下降-再上升”的规律,后期S6含量的增加同样证明低浓度硫酸盐介导的生物反应能够对砷起到固定作用。(4)通径分析表明,冰封期灭菌组中S6和S7(氧化砷及硅酸盐结合态、黄铁矿和无定形雌黄(As2S3)结合态)能直接向S0(上覆水中的As(T))转化,而有菌组S6和S7不再直接转向上覆水中,而是通过S1和S2(弱吸附态、强吸附态)间接的影响S0,表明冰封期依旧存在向上覆水转化的过程,且微弱的微生物活性能够促进S1、S2向S0态转化的关系。非冰封期灭菌组中S0可以由S1、S2、S6和S7四种形态直接转化释放,而在有菌组中S0仅通过S5(晶质铁氧化物结合态)转化,转化路径的减少说明在微生物的作用下使As能更多的以吸附等形式结合,将其控制在沉积物中,导致上覆水中As含量低于灭菌非冰封组。
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