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变浓度下沉积物中Cr形态及含量分析
引言
近年来，太湖流域的水质污染问题受到了社会各界的广泛关注。沉积物作为水体的重要组成部分，是多种污染物质的主要归宿地。其对防止水质污染、净化水体、富集重金属离子等方面有着重要意义。受到生物气-水及水-沉积物界面的水里作用的影响，沉积物也是水体污染物质的释放源。根据底泥沉积物调查结论[1,2]，太湖重金属污染呈加重趋势。其中，重金属Cr 由于强毒性，致癌性，形态的多样性，对水体、沉积物及生物有较强的危害[3,4,5]。影响沉积物污染物质重金属的毒性效果的因素很多，其中与重金属的含量、赋存形态和释放机制密切相关。根据欧共体标准局（European Community Bureau of Reference，BCR）提出的三步提取法（BCR 法）[6]，沉积物中的重金属形态可分为：酸溶态/可交换态，可还原态，可氧化态，残渣态。不同形态的重金属被释放的难易程度不同，生物可利用性也不同。研究表明[7]酸溶态/可交换态、可还原态稳定性差，容易被生物体物吸收利用，容易溶出。而可氧化态和残渣态稳定性强，不易释放到环境中，对环境及生物的危害性也较小[8,9,10]。
根据已有文献报道可知，对污染过程中重金属在沉积物中的迁移转化规律研究得较少。本研究模拟太湖流域的水质环境，通过向环境中添加不同浓度的外源Cr，并运用对比性强的BCR 法，对沉积物中的Cr 进行分析。探讨外源Cr 在沉积物中的迁移转化规律、以及Cr在沉积物中的分布特征。从而了解和掌握重金属Cr 的毒理性质，在水体及沉积物里的存在形态。
1 材料和方法
1.1 试剂与装置
实验所需试剂包括：铬、发烟硝酸、乙酸、超纯水等。装置采用一组共计四个有机塑料桶。实验过程中，采到微波消解仪、加热板、移液枪、坩埚等仪器，最终用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）分析测量重金属的形态及含量。
1.2 样品采集
本实验所需的底泥及上覆水样均取自太湖，样品采集后迅速保存在洁净的聚乙烯塑料桶里，并保证装满以排除桶内空气，加盖密封保存在4℃环境里，防止水样和泥样受到氧化和污染，并在一周内进行实验。
1.3 实验方法
首先采用预实验确定Cr 溶液对太湖内常见的底栖生物河蚬的半致死浓度，以此设计实验泥水混合物的Cr 浓度分别为0mg/L(空白实验)，1mg/L, 10mg/L 及20mg/L；此外增设一组对照实验。用如下方法配置：取4 个塑料桶，依次编号为1，2，3，4。向桶中各加入500ml太湖沉积物，1000ml 太湖水,并依次加入0ml，167ml，375ml，666ml 铬。使4 个塑料桶内的Cr 浓度分别为0mg/L，1mg/L，10mg/L，20mg/L。
然后将 4 个塑料桶静置在实验室阴暗干燥处，任Cr 离子自由扩散，3 天后，取样进行测量。在4 个桶内分别取5-10ml 沉积物样品，置于阴暗干燥处保存，等待处理。之后，将4 个泥样转移至离心管中离心（18000r/min, 15mins）待测。根据BCR 法对剩余泥样进行四步处理，分别提取出酸溶态/可交换态铬（B1）、可还原态铬（B2）、可氧化态铬（B3）与残渣态铬（B4），并用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）进行测量，记录实验数据。
2 结果和讨论
2.1 沉积物中 Cr 的总量分析
实验中，变浓度下，沉积物中Cr 总量变化如图1 所示。由可知随着培养环境中Cr浓度的增加，沉积物中的Cr 溶液浓度呈逐渐递增的趋势。且浓度较小时（0~1mg/l），增长的趋势较快，浓度较大时（大于10mg/l），增速有所减缓。表明随着环境中Cr 浓度的增加，沉积物受到的Cr 污染越来越严重，对环境的影响也越来越大。
2.2 沉积物中各种 Cr 的提取形态分析
根据实验数据可以绘制出不同浓度培养环境中各种形态的铬的柱状分布。由可以看出，随着培养环境中铬浓度的增加，各种形态铬的总量逐渐递增。
1mg/L 中可氧化态Cr 含量最高，可交换态Cr 含量最少，可还原态与残渣态的Cr 相对平衡，可交换态与还原态Cr（生物可利用态）总和所占比例较其他浓度高，此状态下，底泥的氧化还原电位改变时，重金属Cr 会有溶出，对环境造成二次污染，重金属稳定性较差，易释放，易被生物吸收。
在 10mg/L 的Cr 溶液中，残渣态Cr 含量最高，可交换态Cr 含量最少，可氧化态明显多于可还原态，该状态下，大部分重金属是惰性的，较为稳定，氧化电位变化时，会有少量Cr 被氧化而溶出。
20mg/L 中可氧化态Cr 含量最高，残渣态的Cr 也占有很大比例，可交换态Cr 含量最少，该状态下的重金属稳定较高，不易被生物体吸收。
在重金属 Cr 浓度从1mg/L 增加到20mg/L 的过程中，各提取形态的分布趋势不断变化，可氧化态及残渣态这两个稳定性较强的形态始终占较大比例，生物可利用态所占比例较低。
随着环境中Cr 浓度的增大，可还原态的Cr 所占比例大幅降低，导致生物可利用态从35.2%降至16.3%，Cr 越来越难释放到环境中，但由于浓度基数的增长，生物可利用态的Cr 含量还是在不断增加，越来越多的Cr 释放到生物体内，对环境产生较大影响。
本研究通过 BCR 法，对沉积物中的Cr 的各种提取形态就进行了测量分析。在分析的过程中，研究沉积物中各种提取形态的含量比例的变化，并分析四种提取形态之间的相互转换规律，着重注意生物可利用态的含量及变化趋势，从而为将来水体内生物可利用态的铬转化为惰性形态的成熟转化或处理技术提供实验基础。有别于普通的价态分析，BCR 法所提供的重金属形态能够更好的分析生物可利用态Cr，将重金属产生的危害同生物及水体联系起来。
3 结论
随着培养环境中Cr 浓度的不断增加，沉积物中富集的Cr 也越来越多。且可氧化态和残渣态这两个较稳定的Cr 占较大比例，生物可利用态Cr 所占比例下降较为明显，但由于外源Cr 浓度的增大，沉积物中的含量还是有所增大，越来越多的Cr 被生物吸收利用，对环境和生物产生较大污染。
不足的是，由于实验时间较短，外源Cr 对沉积物的长期影响有待深入研究。作为省级创新课题的前期研究成果，外源Cr 对水体、生物的影响亦有待进一步研究。
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[参考文献] (References)
[1]朱映川，刘雯，周遗品，雷泽湘．水体重金属污染现状及其治理方法研究进展[J]．广东农业科学， 2012，8：143~146．
[2]太湖流域水资源保护局，中国科学院南京地理与湖泊研究所．太湖底泥深度、营养物含量及水生植被分布调查,1998.5
[3]考庆君，铬的生物学作用及毒性研究进展，中国公共卫生2004 年11 月第20 卷第11 期,1398~1400
[4] Okada S, Suzuki M, Ohba H. Enhancement of ribonucleic acid by chromium (III) in mouse liver [J]. J InorgBiochem,1983,19:95.
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[6] Quevauviller Ph，et al．Intern J Environ Anal Chem，1993，51：231
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