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1、长江宜宾段底泥重金属现状及特征研究第 1章 前 言1.1 课题研究背景长江是我国的母亲河,近30 年来,长江流域工农业发展迅速,城市化进程不断推进,给流域环境带来巨大压力。自宜宾以下的长江中游两岸大中小城市聚集,点源和面源污染问题日益显现,影响长江中下游河段的水环境和生态,因此,有必要对水环境质量进行监测以及时发现可能产生负面影响的主要因素。我国对长江水环境的监测主要通过水体或水生生物(底栖动物或代表性鱼类) 的取样分析和评价实现,以此反应水环境质量的改善或恶化,针对底泥的分析评价还较少,而泥沙是影响水体质量的重要因子。大量研究表明,水体沉积物既是重金属污染的汇,又是对水质有潜在污染的次生污染
2、源 。影响水环境的物理、化学和生物过程都受到泥沙的作用。吸附在泥沙表面的重金属、有毒物质、营养物质随泥沙迁移,而又随时可能释放出来造成污染 。70 年代以前,国际上对水环境质量的评价只侧重从水相和生物相进行,随着对河流泥沙结合污染物问题研究的深入,人们逐步认识到在水环境评价中泥沙的重要性,对污染的水体,如果只做水相质量分析,而不作泥沙相质量分析,就不能正确评价其被污染的程度 。为了了解长江上游的水环境现状,本文通过长江上游宜宾段的调查取样,对底泥质量进行分析评价,以研究其对水环境质量可能的潜在影响。1.2 重金属污染概述1.2.1 重金属的概念关于什么是重金属，目前有下列几种 说法 1:（1）
3、比重大于5g/cm3（或大于4g/cm 3）的金属元素；（2）周期表中原子序数大于20的金属元素；（3）有毒金属元素。当前在环境污染中所说的重金属主要指Hg、Cd、Pb 、Cr以及类金属元素As等生物毒性显著的重元素，也指具有一定毒性的一般重金属，如Zn、Cu、Ni、Co、Sn等。通过各种途径进入水环境的重金属绝大部分能迅速地转移至沉积物与悬浮物中，而悬浮物在被水流搬运的过程中，当其负荷量超过搬运能力时，也逐渐变为沉积物。因此，无论是在未受污染或受污染严重的水体中，沉积物中重金属含量比水中重金属的含量要高许多倍。而累积在沉积物中的重金属除了直接危害生物和通过食物链影响人类健康外，在环境条件的改
4、变下(如遇到灾害性的天气和风浪条件)，有可能再次释放出来，导致水体环境质量恶化。由于沉积物中重金属对环境的危害作用，研究者已开始重视沉积物中重金属污染的研究。重金属是河道沉积物环境中一类具有潜在危害的污染物。重金属在河道沉积物中一般不易随水淋滤，不能被土壤微生物分解;相反，生物体可以富集重金属，使重金属在沉积物环境中富集，甚至某些重金属转化为毒性更大的甲基化合物。由河道沉积物重金属污染的隐蔽性，使人们不易觉察或注意，并且一旦其毒害作用表现出来就难以消除。污染河道沉积物环境的重金属主要是指生物毒性显著的汞、锡以及类金属砷，其次是指毒性一般的重金属锌、铜、镍、钻、锡等，当前最引起人类关注的是汞、锡
5、、铅、铬、砷等。1.2.2 重金属污染特点1） 重金属是构成地壳的元素，在自然界的分布非常广泛。它们在地壳中的含量均低于0.1%，多存在于各种矿物和岩石中，遍布于生物和非生物环境要素之中，因此具有一定的背景含量。2） 重金属作为有色金属在人类的生产和生活各方面广泛应用，这使得环境中存在着各种重金属的污染源 。3） 从化学角度看，重金属多为周期表中的过渡元素，化学性质复杂多变。4） 从毒性和对生物体及人体的危害方面看，重金属污染的特点在于：A 天然水中，只要有微量浓度即可产生毒性效应。B 微生物不仅不能降解重金属，相反地，某些重金属在微生物的作用下可转化为毒性更强的金属有机化合物，产生更大的毒性
6、。C 生物体从环境中摄取重金属，可经过食物链的生物放大作用逐级在较高的生物体内成千百倍地富集。D 重金属可通过多种途径（食物、饮水、呼吸、皮肤接触、遗传、母乳等）进入人体。1.3 沉积物中重金属污染研究概述沉积物中的重金属来源主要分为自然来源和人工来源两大类。各种地质作用，如构造活动、陆地和海底岩石风化、侵蚀及水动力作用等，都可造成重金属元素在水体中的分散迁移和在沉积物中的沉积聚集等。自然过程作用的结果表现了重金属元素的自然丰度和分布状态，即构成了其环境本底值（也称为背景值或环境基线值）。在没有人为污染的情况下，水体中重金属的含量值一般很低，不会对人体健康造成危害；但工矿业废水、生活污水等未经
7、适当处理即向外排放、污染土壤和废弃物堆置场受流水作用、以及富含重金属的大气沉降物输入，都使水体重金属含量急剧升高。通过各种途径进入水体的重金属很容易被水体悬浮物或沉积物所吸附、络合或共沉淀，从而在水底的沉积物中富集，致使沉积物中重金属浓度相对于水中要高得多。目前国内外学者通过对沉积物中重金属污染的大量研究，取得了可喜的成果，为今后深入开展水体重金属的研究奠定了基础。目前对沉积物中重金属的研究主要取得的成果有:1.有了一套沉积物中重金属化学形态的分析方法，而且各形态之间的转化及其影响因素研究也取得了一定的进展。2、做了很多重金属吸附、解吸的实验，对重金属在沉积物中的迁移和转化提出了一系列的反应方
8、程式。同时，在沉积物水界面和再悬浮沉积物中重金属的释放与积累也有了一定的研究。3、在探讨水动力条件、沉积物的粒径、温度、盐度等因素对沉积物中重金属行为机制的影响方面研究较全面。4、对沉积物重金属生物有效性有了一定的研究，并有了相应的评价方法。5、对存在于沉积物中的各种重金属不仅有了其背景值的测定方法，测定各重的方法也己不断地得到改进。沉积物是水体的重要组成部分，位于液、固两相界面的交界处，它对河流的生态系统结构及生态服务功能均有重要的影响口1,2 。许多研究表明重金属与生物大分子基团和遗传物质的相互作用可导致多器官的畸变、突变和癌变效应3, 4。重金属由于其毒性和持久性而成为影响沉积物质量较严
9、重的一类污染物5 。河流中的沉积物是水体中重金属的重要归宿，也是水体的二次污染源6,7 。进入水体的重金属大部分转移至悬浮颗粒物和底层沉积物中，累积的重金属在一定条件下又释放进入上覆水。此外，通过生物富集和放大作用，重金属会对生态系统构成直接和间接的威胁 8。许多学者认为，沉积物可以反映水体的状况，沉积物是水环境重金属污染的指示剂912 。因此，具有源和汇双重作用的沉积物在重金属污染评价中起着至关重要的作用13。淮河流域的生态环境长期以来一直是人们关注的重点，本研究以淮河(安徽段)沉积物为研究对象，对其中的重金属元素(cu、Pb、cr、zn、As)的分布状况及富集特征进行了研究，并根据沉积学原
10、理和环境化学行为特点，应用地积累指数法(geoaccumulation index，Igeo)14对沉积物的污染程度进行了评价，旨在为淮河流域水环境质量的综合评价及污染治理提供科学的依据。第2章 材料与方法21 样品采集与处理2009年3月，长江宜宾段设置4个断面，每个断面设置3-5个采样点，采用抓斗式采泥器采集了每个断面各采样点表层(0 cm一20 cm)的沉积物样品1 kg一2 kg，混合均匀后作为该断面的试验样品。样品采集后立即送回实验室，采用风干的方法对沉积物样品进行脱水，将干燥后的沉积物样品压碎，剔除杂质(砾石及动、植物残体等)，再用玛瑙研钵将其研磨后，通过100目尼龙筛。22 样品
11、分析测试样品经HNO 3 一HFHCIO 消解后，用原子吸收分光光度计：TAS-990 ，测定Cu、Pb、Cd、Zn、Cr元素的质量浓度。23 质量控制本试验所有样本瓶和聚乙烯、玻璃器皿事先均用1：1硝酸浸泡、洗涤、烘干。在测定过程中进行了重复样及标样分析，以确保实验数据的可靠性。分析试剂除各种酸为优级纯外，其他均为分析纯。水为二次去离子水。24 地积累指数法(index of geoaccumulation，I geo)在不同的分析条件和分析目的下，必须采用合适的研究和评价方法。从环境地球化学的角度出发，评价沉积物中重金属的污染15,16，除了必须考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外，还
12、应考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素(常数)。结合淮河(安徽段)研究工作实际，因此，笔者选用地积累指数法对沉积物的重金属污染程度进行了评价。地积累指数(I 。)是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标。由于其不仅考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值等，特别是注意到自然造岩作用可能引起背景值变动的因素(常数)，一时在欧洲被广泛采用。I 。的计算式为：I 。=log2C n(kB n )，式中：C 是指元素n在沉积物中的含量(指质量比，实测值)，mgkg；B 是指沉积岩(普通页岩)中该元素的地球化学背景值，mgkg(见表1)；
13、k为修正系数(一般取值为15)，考虑成岩作用可能会引起背景值的变动。根据地积累指数(I geo)的大小将污染等级分为7级，即O一6级，表示污染程度由无污染至极强污染，地积累指数(I geo)与重金属污染程度的关系见表2。第 3章 重金属的浓度测定及分析3.1 实验原理及过程3.1.1 原理采 用 盐 酸一硝酸一氢氟酸一高氯酸全消解的方法，彻底破坏土壤的矿物晶格，使试样中的待测元素全部进人试液。然后，将试液注人石墨炉中。经过预先设定的干燥、灰化、原子化等升温程序使共存基体成分蒸发除去，同时在原子化阶段的高温下铅、锅化合物离解为基态原子蒸气，并对空心阴极灯发射的特征谱线产生选择性吸收。在选择的最佳测定条件下，通过背景扣除，测定试液中铅、锡的吸光度。
