三峡库区水位变化条件下沉积物中Sb(III)和Sb(V)的迁移转化机理研究

After water impoundment of the Three Gorges Reservoir (TGR), the pollution of heavy metals in aquatic environment has drawn particularly great research attention from environmental scientists. However, few researchers focused on geochemical behaviors of Antimony（Sb）in aquatic environment of TGR. The transfer and fate of different valence state of Sb in sediments remains unclear, especially for the condition under the variation of water levels. This program takes Sb(III) and Sb(V) in sediments of TGR as a research object to investigate the transportation and transferring mechanism of different valence state of Sb in TGR sediments with the help of the sediment sampling and laboratory experiment and simulation. The program will use the different advanced analysis techniques (DGT, LA-ICPMS, HPLC-ID-ICP-MS, XRF, XANES). The aims of this program are: (1) to explore the spatial distribution and chemical speciation of Sb in TGR sediment cores under the variation of water level; (2) to figure out the two-dimensional spatial distribution pattern and transportation and transferring mechanism of different valence state of Sb(III) and Sb(V) in TGR sediments, especially for the interface of sediment - overlying water; (3) to clarify the underlying mechanisms, potential influencing factors and migration of the “hotspot” using synthesis analytical technique. (4) to investigate the isotopic compositions and fractionation mechanism of Sb for tracing the transferring process of Sb(III) and Sb(V) and Sb sources in water environment. This program will help to provide a scientific basis for assessing the environmental release risk of heavy metals in TGR sediments.

三峡水库蓄水后，水环境中重金属的污染问题倍受国内外学者关注。然而，有毒元素锑（Sb）在库区水环境中的地球化学行为研究较少，水位变化条件下沉积物中不同价态Sb的迁移转化机理尚不清楚。本项目以Sb(III)和Sb(V)为研究对象，通过野外采样和室内模拟实验相结合，综合利用原位采样、XRF岩芯扫描分析及激光剥蚀直接分析、元素形态分析、现代光谱能谱分析以及同位素示踪等技术，识别不同水位条件下沉积物中锑的空间分布及赋存形态变化特征；探索沉积物剖面有效态Sb(III)和Sb(V)的二维空间分布规律和迁移转化机理；重点阐明Sb(III)和Sb(V)在沉积物-上覆水界面的归趋演变及主要控制因素；探明沉积物剖面“热点”处Sb再活化现象产生的机理及影响因素；揭示沉积物-水中不同价态Sb同位素组成和分馏特征，并示踪Sb价态转化过程及来源。本项目为科学评价三峡库区水环境中重金属元素的环境风险提供科学依据。

三峡水库蓄水后，水环境中重金属的污染问题倍受国内外学者关注。然而，水文情势变化条件下沉积物中不同价态锑(Sb)的环境地球化学过程尚不清楚。本项目以Sb及其形态为研究对象，开展了三峡库区水位变化条件下沉积物中Sb的时空分布、赋存形态特征、价态变化及影响因素等相关研究。研究结果如下：三峡库区干流沉积物中Sb浓度范围为0.67-1.59 mg/kg；库区干流沉积物Sb含量呈逐年递减趋势，且自上游至下游呈先增加后逐渐减少趋势；采用地球化学基线模型定量计算了三峡库区沉积物Sb人为来源的贡献率，识别出库区上游流域沉积物中Sb主要来源于自然累积，而中下游局部区域存在一定程度的人为干扰；库区典型支流沉积物剖面中有效态Sb含量相对较低，发现沉积物剖面有效态Sb存在峰值区域，这归因于沉积物中硫化物和有机质驱动有效态Sb的再活化，使有效态Sb发生了局部迁移释放；建立了基于梯度扩散薄膜原位采样技术和高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱仪的Sb(III)和 Sb(V)原位价态分析方法以及Sb价态的液相色谱-原子荧光光谱联用技术；揭示了库区底部厌氧并非Sb(III)氧化的主要因素，天然矿物等非生物途径是驱动Sb(III)在沉积物剖面氧化迁移的主因，其中，锰氧化物对Sb(III)的氧化主要通过自催化氧化过程实现；而铁氧化物则在碱性条件下与Sb(III)形成络合配体，经电荷迁移过程完成持续氧化。本项目突破传统重金属总量研究，科学评价了水文情势变化条件下库区水环境中Sb元素的环境过程及环境风险；阐明了水文情势变化条件下有效态Sb(III)和Sb(V)在沉积物剖面的二维空间变化规律和迁移转化机理；揭示了不同价态Sb的沉积物-水界面的转化过程及其主控因素。本研究建立的原位Sb价态分析方法为今后多价态元素环境行为的研究提供了技术支撑，形成的Sb迁移转化机理为深大水库多价态元素环境地球化学过程研究提供了新视角。