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MCAE第五章 自然水体中的金属浓度和形态

已有 4380 次阅读 2010-4-4 22:31 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记

第五章 自然水体中的金属浓度和形态

水体中的金属可分为溶解态和颗粒态,通常用能否过0.45μm的滤膜来进行操作上的区分。金属总浓度受颗粒态金属的影响巨大。即使保持溶解态浓度、单位颗粒物上的金属含量不变,仅改变颗粒物浓度就能显著改变金属总浓度。测定总浓度简单易行,测定溶解态金属则比较麻烦(需要过滤),而且由于其浓度低,对仪器要求高。但是,生态风险跟溶解态浓度更为相关。于是这里就存在效率和科学意义之间的权衡。

测定天然水体中的金属浓度一定要采用超洁净技术(ultra-clean technique)。塑料瓶中含有较多的Cd,Zn,需要用酸洗。灰尘中含大量的Cu,Pb,Zn,要注意防尘。1990年代以前,超洁净技术没有得到广泛使用(即使到现在,该技术也因为操作繁琐而使用有限),因此历史文献中的金属浓度大多存在高估。从现在可靠的测定数据看来,人类活动导致的水体金属浓度升高并没有原先想象的那么严重。海水中的Pb浓度在1-5ng/L,受污染的水体会达到30ng/L。如果测出来1μg/L,那就要怀疑采样是否受污染了。

根据在海洋中的垂直分布,金属可分为三类:1)保守型(conservative),如Na,K,MoO42-。金属与颗粒物相互作用弱,浓度不随深度变化,停留时间大于105年。2)循环型(recycled),如Cd,Zn,还有As,Ag,Cr,V。金属对藻类有营养作用,很容易被吸收。而且和颗粒物相互作用强。该类金属(由于被吸收)在表层浓度低,随着颗粒物沉降,底层浓度高。停留时间在103-105年之间。有趣的是,Zn的垂直分布与Si耦合,而Cd与P耦合。这是因为颗粒物对Zn吸附强,在颗粒物下沉过程中,Zn难以被释放。硅藻中的Si也是如此。然而Cd相对较易从颗粒物中逃逸,这与P的性质相似。3)清除型(scavenged),如Al,Am,Co,Mn,Pb。这类金属与颗粒物相互作用极强,很容易被颗粒物吸附而沉入底泥。因此,其浓度最高值出现在源头附近。停留时间小于103年。除了这三类,还有综合了循环型和清除型的杂合型,如Fe和Cu。

金属浓度的时空变化:易于被生物吸收的金属其浓度随时间变化大。上升流(upwelling)会提高海水Cd的浓度,水产养殖会受到影响。虽然这种污染是“纯天然”的,其带来的危害和人为污染并无区别。河流里的背景金属浓度普遍高于海洋。但是对某些地壳中稀缺的元素(比如Cd)来说,河流中的浓度甚至会低于海洋中的浓度。一场暴雨有可能增加也有可能降低河流中的金属浓度。增加是因为雨水冲刷带入污染,而减少则是因为稀释作用。河流中金属浓度昼夜变化很可能是由pH昼夜变化引起的。白天由于光合作用,水中的CO2被消耗,pH上升,金属更易被颗粒物吸附,从而浓度降低。晚上则相反。所以观察到的现象是:黎明时金属浓度最高,傍晚时最低。采样需要考虑到这些时空变化。

根据热力学数据推导,在好氧水体中Se(VI)应为主要形态,但是在表层海水中观察到的却是有机Se(organo-selenium,selenide)为主要形态。这是因为藻类吸收了Se(VI),将其转化为有机Se,而有机Se转化为Se(VI)的速度相当缓慢。换句话说,虽然热力学决定Se(VI)占主导,动力学却让有机Se占了主导。

表层海水中的Cd和Zn主要被DOC络合,自由离子浓度很低。随着深度增加,这两种金属的总浓度变化不大,但是自由离子却上升百千倍。

目前,稳态数学模型仍然是确定金属形态分布的最现实的手段。WHAM(Windermere Humic Aqueous Model)是计算金属与DOC的络合最常用软件。由于自然水体中的DOC组分相当复杂,模型计算常低估自由离子的浓度。如果事先不清楚DOC的确切组分,推荐假设50%为富里酸(fulvic acid)。现在有两种直接测定易利用态金属(labile metal)的方法,较适用于成分复杂的自然水体:exchange-adsorptive cathodic stripping voltametry (CLE-ACSV)和DGT (diffusive gradients in thin films)。
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