编者：科研人员采用BCR连续提取法结合F-AAS分析测定了南四湖不同粒径底泥沉积物中Cu、Pb、Zn、Cr、Ni和Cd的含量及其存在形态。结果表明,不同粒径沉积物中重金属污染物含量不同。重金属元素在底泥沉积物中的存在形态分布差别较大,主要以残渣态为主。
由于重金属元素在沉积物中有较长的停留时间和较大的潜在危害,自上世纪90年代许多学者在重金属元素对生态环境的污染影响方面做了大量的研究[1-2]。由于重金属污染物大部分富集在沉积物颗粒表面上,以颗粒为载体进行迁移转化[3],所以对重金属含量与粒径的关系进行研究显得尤为重要。本文研究了底泥沉积物中重金属含量与粒径的关系,可为底泥对水质的影响研究提供科学依据。
1 实验部分
1.1试剂
HAc,NH2OH·HCl和H2O2均为AR级,HCl,HClO4,HNO3,HF和HCl均为GR级,原-子吸收测定标准溶液采用国家标准物质研究中心提供的Cr、Cu、Pb、Zn、Ni单元素标准溶液。实验用水均采用三次去离子水。
1.2样品的采集与处理
样品取自南四湖表层底泥沉积物,样品按以下步骤处理：
a.将风干的样品轻轻压碎,全部过60目的筛,称取50.0g,按次序过200目,140目,100目。研磨至200目。
b.重金属形态提取采用BCR三级连续提取法。
c.沉积物金属总量的测定采用直接消解法,称取1.0000g沉积物样品,方法同BCR法的残渣消解方法。
1.3 实验方法
1.3.1 仪器：日立180-80偏振塞曼原-子吸收分光光度计,800型电动离心沉淀器,DS-K1电动定时振荡器,501型超级恒温槽,国华HY-4多用途调速振荡器,JEM-100CXII透射电镜(日本电子)。
1.3.2 测量方法：
采用火焰原-子吸收法测定各提取液中的Cu、Pb、Zn、Cr、Ni和Cd的含量。
测试条件见表1,
2 结果与讨论
2.1 形貌分析
分别取过筛60目,100目,200目样品少许(1#样品,2#样品,3#样品),观察其形貌。
由图1透射电镜图片可见,1#样品有很多片层叠加在一起,大量污染物包裹在晶体团的周围,颗粒内部空隙较少,形状不规则,具有较强的吸附性。2#样品是由多个晶体颗粒集结在一起,内部空隙大,形成较大的比表面积,吸附能力增强。3#样品片层紧密结合,包裹的絮状物很少,团体的疏松程度降低,吸附能力降低[4]。
由此可见,粒径大的沉积物形状不规则,但是它们的表面相对光滑,反而不易大量吸附污染物。粒径为108-154μm的颗粒是由不均的颗粒组合而成,互相交织在一起,它们表面积更大,吸附能力最强：且比重较轻,易发生转移。粒径小于75μm的颗粒多是尘土中的硅酸盐晶体,所以小颗粒多以晶格态为主。
2.2 粒径与形态分布的关系
选取南四湖湖区大捐和岛东两个样区中的底泥沉积物,对不同粒径的样品的重金属元素采用BCR法进行提取,将各元素Cu, Pb, Zn, Cr, Ni, Cd等采用F-AAS
法进行测定,测定结果列入表2,
Cu在大捐样点中主要形态为可还原-态。岛东点Cu的可提取态主要以可氧化态和可还原-态存在。Pb在两点的含量均以可还原-提取态为主,其余以可氧化提取态存在,醋酸可提取态的金属几乎没有。Zn的各提取态分配相对均匀,醋酸可提取态在的占30%左右,可氧化提取占10-20%,其余为可还原-态。Cr在两个样点中全部以可氧化态存在,不存在其它提取态。Ni的醋酸可提取态含量占10-20%,可还原-态占10%左右,可氧化态存在占70%左右。
从以上分析可以看出,三种粒径的分配差别不大,底泥沉积物中的Cu, Zn, Ni具有较强的生物可给性,易对生物体造成直接危害。以可氧化态与可还原-态存在的重金属,对环境和生物体存在潜在危害性[5]。
2.3 底泥沉积物重金属总量与粒径的关系
图4显示重金属总量与不同粒径的关系,由图4及表4重金属提取态及重金属总量测定结果表明,南四湖底泥沉积物中Pb,Ni含量较低,Cd未检出,Cu、Zn、Cr含量较高。说明Pb,Ni和Cd对南四湖底泥污染较小,而Cu、Zn和Cr对南四湖底泥存在污染。
不同粒径底泥沉积物中重金属含量也不同,Cu、Pb、Zn、Cr随粒径不同其变化规律为：108-154μm >75-108μm >75μm以下>154-280μm。大捐、岛东样区金属总量在粒径为108-154μm时含量最高,这是因为在粒径太小时,晶体团的结构致密,吸附表面积相对较小,它吸附的污染物相应含量低;粒径为154-280μm的主要是大颗粒的晶体团以及贝类的残核,少量的砂粒,不易大量吸附污染物。因此中间粒径的颗粒大小均匀,质地疏松,更容易吸附污染物。
3 结论
1. 通过透射电镜观察,粒径为108-154μm的沉积物颗粒结合程度松散,内部空隙大,表面积大,对污染物的吸附能力较强,所以这部分沉积物污染程度最重。
2. 底泥沉积物中的Cu, Zn, Ni存在可溶态,生物可给性较强,对生物体存在直接危害性。
3. 重金属形态分析结果表明,南四湖不同粒径沉积物中Cu和Pb主要是以可还原-态和残渣态存在,Zn和Cr主要以残渣态存在,Ni主要以残渣态和可氧化态存在。大多数金属污染物如Zn、Cr和Ni等含量随粒径的变化规律较为明显,粒径大的沉积物颗粒吸附量大,随着沉积物颗粒粒径的减小,对污染物的吸附能力也随之有不同程度的降低。□