黄东海沉积物有机碳矿化对金属形态和分布的影响研究

	黄东海沉积物有机碳矿化对金属形态和分布的影响研究
	赵淼
学位类型	博士
导师	潘大为
	2022-12-01
培养单位	中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称	理学博士
学位专业	海洋化学
关键词	沉积物金属形态有机碳矿化黄东海
摘要	海洋沉积物金属形态和分布研究一直是海洋科学的研究热点。自工业革命以来，沿海经济的迅速发展导致过量金属排入海洋，对海洋生态环境造成了威胁，限制了海洋渔业经济的发展。黄东海是世界上典型的陆架边缘海，受长江和黄河输入的显著影响，其沉积物是金属的主要汇集地，沉积物中的金属在成岩作用、物理扰动和生物扰动作用下可再次进入水体造成二次污染。因此，研究海洋沉积物金属的形态和分布有助于了解金属循环过程、评价海洋环境现状、预测海洋环境演变趋势，为相关部门制定环保政策提供理论支撑。有机碳矿化是沉积物中金属迁移转化的主要驱动力，但在以往的研究中，沉积物中有机碳矿化过程对金属形态影响主要集中在单一因素的研究，而关于有机碳矿化各路径共同作用下对金属迁移转化影响的报道较少。因此，本学位论文以黄东海沉积物为研究对象，系统研究了总有机碳矿化速率（TCMR）和各路径（硝酸盐还原、铁还原、锰还原、硫酸盐还原）速率对金属形态（溶解态；酸溶解态：碳酸盐结合态；可还原态：铁锰氧化物结合态；可氧化态：有机质和硫结合态）转化的影响，主要内容和结论如下：（1）以2018年夏季黄东海典型海域的沉积物为研究对象，测定了金属垂直分布和形态，并结合沉积物和孔隙水基本参数（溶解无机碳、溶解有机碳、总有机碳、总氮、硫酸盐和溶解硫化物）对金属形态和分布的影响因素进行了探究。结果显示：研究区域沉积物各金属总量（TM）从大到小依次为TMn > TZn > TCr > TNi > TCu ~ TPb > TCo > TAs > TCd。受山东半岛东部陆源输入的影响，南黄海东部海域的沉积物金属浓度在表层较高；受生物扰动和水动力作用的影响，浙江沿岸金属垂直分布不均匀。孔隙水溶解态金属（dM）从大到小依次为dMn > dZn > dCr > dAs > dNi > dCu > dCo > dPb > dCd。所有金属均以残渣态为主要形态，Cr、Co和Ni的主要有效态为可氧化态，Cd、Cu、Zn、As和Pb的主要有效态为可还原态，Mn的主要有效态为酸溶解态。金属总量分布受多种因素的影响：有机质易吸附结合Cr、Cu、Ni、Pb和Mn；锰氧化物可吸附结合Co、Ni和Pb；硫化物易与Cu、Zn、As、Pb结合形成硫化物结合态。有机质分解、锰氧化物还原和硫酸盐还原都是有机碳矿化的重要过程，与金属形态转化密切相关，有必要从沉积物有机碳矿化各路径的角度详细研究其对金属形态分布的影响。（2）为研究人类活动下有机碳矿化对金属的影响，以烟台近岸典型扇贝养殖区的沉积物为研究对象，通过测定2020年夏季该海域沉积物中有机碳矿化速率、矿化路径以及金属（Fe、Mn、Cr、Ni和As）形态变化速率，分析有机碳矿化对金属形态变化的影响。结果显示：沉积物有机碳矿化过程中，Fe、Mn、Cr、Co和As可从有机质和铁锰氧化物结合态中释放，一部分在孔隙水中积累（Fe、Cr、Co和As），一部分转化为酸溶解态（Fe、Mn、Cr和Co），一部分转化为可氧化态（Fe、Mn、Co和As）。相对于非养殖区，养殖活动促进了表层沉积物有机碳的富集，增加了有机碳的有氧呼吸速率，促进了可氧化态金属（Mn和Co）在表层0 ~ 2 cm范围内的消耗。另外，扇贝养殖促进了活性铁的富集，增加了铁异化还原速率，加速了养殖区可还原态Fe的消耗和孔隙水中溶解态金属（dFe、dCo和dCr）的积累。它们在养殖区沉积物中的积累速率分别为80.17 μmol m-2 d-1（dFe）、48.24 nmol m-2 d-1（dCo）和1.42 μmol m-2 d-1（dCr），而在非养殖区的积累速率分别为74.72 μmol m-2 d-1（dFe）、42.57 nmol m-2 d-1（dCo）和1.28 μmol m-2 d-1（dCr）。养殖区硫酸盐还原受Fe还原的抑制，还原速率降低，进而使养殖区TCMR降低，并因此导致可氧化态Cr和As的消耗速率较低。同时，可氧化态As的分解导致dAs向水体释放，从而导致dAs在养殖区沉积物中的积累速率（0.06 μmol m-2 d-1）低于非养殖区（0.09 μmol m-2 d-1）。此外，有机碳矿化产生的溶解无机碳易与Mn结合生成酸溶解态Mn，养殖区低TCMR和低Mn还原速率导致酸溶解态Mn的产生速率降低。（3）为研究不同沉积环境下有机碳矿化对金属的影响，以2021年春季南黄海泥质区、东海泥质区和东海砂质区为研究对象，探究不同沉积物环境和沉积物类型中有机碳矿化过程对金属形态转化的影响。结果显示，受长江口硝酸盐大量输入的影响，长江口砂质区沉积物中硝酸盐还原强烈。砂质区高硝酸盐还原速率促进了2 ~ 10 cm深度处有机结合态Mn、Co和Cr的减少。由于较高的温度，东海泥质区和砂质区沉积物中TCMR高于南黄海泥质区，高TCMR促进了dCr的释放。相对于黄海沉积物，东海沉积物硫酸盐还原速率较高，促进了Fe、Co和As由溶解态向即可氧化态的转化，降低了其在孔隙水中的积累速率。dFe、dCo、dAs和dCr在南黄海泥质区的积累速率分别为38.83 μmol m-2 d-1、20.29 nmol m-2 d-1、0.01 μmol m-2 d-1和0.25 μmol m-2 d-1，在东海沉积物中的积累速率分别为4.05 μmol m-2 d-1、13.86 nmol m-2 d-1、-0.02 μmol m-2 d-1和0.29 μmol m-2 d-1。以上研究表明：在人为活动影响强烈的近岸沉积物中，金属的转化主要受有机碳有氧呼吸和铁异化还原的影响，金属释放速率高；在自然环境影响强烈的远岸近海沉积物中，金属主要受铁还原和硫酸盐还原共同影响，对金属的保存能力更强，溶解态金属的积累速率更小。（4）为了进一步探究有机碳矿化对黄东海沉积物金属（Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、As、Co、Ni和Mn）埋藏和释放的影响机制，以及对金属毒性的影响，测定了2021年春季26个黄东海表层沉积物金属的固液比，同时也分析了柱状沉积物的TCMR。结果显示：沉积物中金属富集主要分布在北黄海和东海浙闽沿岸泥质区；研究区域的Pb呈中等污染水平。TCMR与金属的污染负荷指数呈正相关（r = 0.479，p < 0.05），表明有机碳矿化加速了金属的积累，从而增加了金属的污染程度。金属的固液相比从大到小依次为Co > Fe > Pb > Cu > Cr > Ni > Mn > As > Cd > Zn，表明Co最稳定，而Zn最易释放到孔隙水中。此外，虽然有机碳矿化可以促进金属的释放，但TCMR的增加可导致溶解态金属的释放量逐渐减少，甚至促进这些金属从溶解态向颗粒态的迁移。有机碳矿化对Cr、Pb、Co、Ni和Fe的固液比影响较大，对Zn、As、Mn的影响相对较小，对Cd和Cu的保存作用不大。有机碳矿化可促进金属从液相向固相的转移，使金属的稳定性增加，生态风险降低。
页数	166
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/34398
专题	中国科学院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	赵淼. 黄东海沉积物有机碳矿化对金属形态和分布的影响研究[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2022.

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