基于底栖动物群落结构优化的河流底泥-水界面重金属生物富集及协同固定机制

The macroinvertebrate is an important part of the river sediment-water ecosystem, and its vital activity is the key factor affecting the bioaccumulation and immobilization of heavy metals in the sediment-water interface. This proposal optimizes the vertical niche of macroinvertebrate community, which is introduced into the international frontier research of “heavy metal pollution control in the river sediment-water interface”, identifies the key environmental factors influencing the distribution and activity of macroinvertebrate, and establishes the dominant vertical niche of macroinvertebrate community with synergistic sedimentation, adsorption and solidification of heavy metals. Under the optimized community of macroinvertebrate, the bioaccumulation behavior of macroinvertebrate on different species of heavy metals is investigated, the transfer of heavy metals in the food chain is determined, and the amplification effect of macroinvertebrate on the enrichment flux of heavy metals is revealed accordingly. The relationships between the macroinvertebrate community, the physical/chemical properties of sediment-water interface and immobilization of heavy metals are established, the reduction-precipitation process of dissolved heavy metals in the sediment-water interface is studied, the agglomeration process of non-dissolved heavy metals adhering with suspended particles sinking along the interstice of sediments is analyzed, and finally the mechanism of heavy metal immobilization at the sediment-water interface driven by multi-species of macroinvertebrates is revealed. This research is of great significance to reveal the mechanism of heavy metals migration and transformation at the sediment-water interface, and to promote the effective control of heavy metal endogenous pollution.

底栖动物是河流底泥-水生态系统的重要组成部分，其生命活动是影响底泥-水界面重金属生物富集和固定效能的重要因子。本项目将垂直生态位底栖动物群落结构优化，引入“河流底泥-水界面重金属污染阻控”国际前沿问题的研究中，解析影响底栖动物分布活性的关键环境因子，构建具有重金属沉降、吸附和固化协同作用的垂直生态位优势底栖动物群落。研究群落结构优化下底栖动物对不同形态重金属的生物富集行为，确定重金属在其食物链网络中的传递规律，揭示底栖动物对重金属富集通量的扩大效应。建立底栖动物群落、底泥-水界面理化性质、重金属固定化三者的关联关系，考察底泥-水界面溶解态重金属还原析出过程，分析非溶解态重金属与悬浮颗粒附着结合并沿底泥空隙下沉的团聚过程，揭示多种群底栖动物驱动下底泥-水界面重金属的固定化机制。本项目研究对揭示底泥-水界面重金属迁移转化机制，推动重金属内源污染有效阻控技术的发展具有重要意义。

自然环境的底泥-水生态系统中重金属主要分为溶解态和颗粒态两种形态，两种形态重金属之间的迁移转化的形式主要有吸附、水解、解吸、沉淀。底泥-水生态系统中重金属迁移转化过程是由物理迁移、化学迁移、生物迁移三种形式的结合。本项目研究了影响水-沉积物体系重金属元素的多种关键因素，包括生物扰动、pH、溶解氧等，考察了它们对重金属的迁移及转化的影响。研究结果表明，底栖动物的生物扰动会对水-泥界面的多种理化性质产生影响。各个生物组的上覆水pH值均随时间波动上涨，由中性变为弱碱性，与此同时，各组的底泥pH值均呈波动下降趋势，由弱碱性趋于中性，根据相关性分析，底泥界面各类重金属含量及重金属各类形态与底泥pH值均为正相关关系，即本实验中各组生物通过降低碱性底泥的pH值，影响重金属形态变化，从而提高了重金属离子的生物可利用性。上覆水总有机碳含量均有了不同程度的增加，表明底栖动物的扰动作用会使底泥中的有机质多量快速的释放到水体中。对比发现，水蛭组上覆水总有机碳含量增加最多，可能是由于水蛭属于环节动物，栖息在表层污泥层，对底泥的扰动更为明显。底栖动物通过扰动、捕食和代谢活动，参与生态系统中重金属的物质循环，实现对底泥-水界面重金属的生物富集，并通过多种群底栖动物生物链扩大对底泥-水界面重金属的富集通量，具体表现在以下三个方面：①通过生物的生命活动分解体系中有机质，将有机质分解为小分子物质，产生较易于金属离子产生络合的有机质，促进重金属的迁移转化；②新陈代谢活动使环境条件发生变化，如 pH值、溶解氧量等的变化，从而影响重金属的释放，高 pH值环境往往使水体金属离子更易被固相物质吸附，低 pH值环境中重金属多以溶解态存在，具有更高的生物可利用性；③生物的扰动引起沉积物中间隙水含量增加，使底泥-水界面中悬浮颗粒不断更新，增加颗粒表面的吸附点位，促进悬浮颗粒对底泥-水界面中 Zn、Cd、Cr 等重金属的吸附，阻止底泥-水界面重金属的扩散。