研究簡介:全球湖泊普遍出現(xiàn)的富營養(yǎng)化趨勢，導(dǎo)致大型植物衰退和藻類增殖，這種生態(tài)演替alters沉積物的微環(huán)境，進(jìn)而影響砷的循環(huán)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為高溫促進(jìn)砷釋放，但本研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的類型（MD vs.AD）會調(diào)制季節(jié)性效應(yīng)，導(dǎo)致砷行為復(fù)雜化。論文假設(shè)生態(tài)條件差異通過改變沉積物-水界面（SWI）的氧化還原狀態(tài)、有機(jī)物分解和營養(yǎng)鹽動態(tài)，驅(qū)動砷的固定或釋放。本研究主要聚焦于富營養(yǎng)化湖泊中生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變——從大型植物主導(dǎo)（MD）向藻類主導(dǎo)（AD）的過渡——對沉積物中砷（As）釋放行為的影響。本研究以中國陽澄湖為案例，通過季節(jié)性觀測，揭示了MD和AD系統(tǒng)下砷釋放的差異化機(jī)制，為湖泊管理提供了新見解。砷作為一種有毒致癌物質(zhì)，其在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化備受關(guān)注，而湖泊沉積物作為砷的“源”或“匯”，在氣候變化和人類活動加劇的背景下，其動態(tài)變化對水質(zhì)安全構(gòu)成威脅。研究人員在春、夏、秋、冬四季采集了AD、MD和過渡區(qū)域（MA）的沉積物柱狀樣品，利用高分辨率透析技術(shù)（如HR-peeper）獲取孔隙水，并結(jié)合微電極系統(tǒng)測量溶解氧（DO）、pH等參數(shù)。關(guān)鍵指標(biāo)包括溶解砷形態(tài)、鐵（Fe）、錳（Mn）、磷（P）、有機(jī)質(zhì)（OM）等，通過順序提取法分析砷的賦存形態(tài)（如非特異性吸附態(tài)、鐵氧化物結(jié)合態(tài)等），并應(yīng)用Fick定律計(jì)算砷釋放通量。

Unisense微電極分析系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)用于精確測量沉積物-水界面（SWI）的物理化學(xué)參數(shù)剖面，沉積物柱運(yùn)輸回實(shí)驗(yàn)室后，微電極直接插入沉積物核心，以毫米級分辨率掃描從過水層到沉積物深度的DO和pH變化。測量完成后，再使用HR-peeper設(shè)備獲取孔隙水樣品，確保數(shù)據(jù)銜接。Unisense微電極以其高靈敏度和空間分辨率能捕捉SWI的細(xì)微梯度變化，這對于理解砷的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制至關(guān)重要。DO的垂直滲透深度（如春季約5-8 mm）和pH波動可直接反映微生物活動及有機(jī)質(zhì)分解強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

研究結(jié)果表明AD和MD系統(tǒng)的砷釋放呈現(xiàn)顯著季節(jié)性差異。在AD區(qū)域，夏季和秋季孔隙水中溶解砷濃度最高（峰值達(dá)120.36μg/L），釋放通量顯著增強(qiáng)；而MD區(qū)域則在春季出現(xiàn)砷釋放高峰（34.92μg/L），夏季反而表現(xiàn)為砷固定。這種反差挑戰(zhàn)了“溫度升高必然促進(jìn)砷釋放”的常規(guī)認(rèn)知。機(jī)制分析表明，在AD夏季，高溫促進(jìn)微生物活動，導(dǎo)致鐵氧化物還原溶解，同時(shí)孔隙水中磷含量升高（競爭吸附位點(diǎn)），共同驅(qū)動砷釋放。相反在MD春季，大型植物殘?bào)w分解引發(fā)酸化和有機(jī)質(zhì)絡(luò)合，促進(jìn)吸附態(tài)砷解吸，但夏季的高有機(jī)質(zhì)含量和低氧化還原電位促使砷-硫共沉淀，增強(qiáng)固定。

圖1、沉積物-水界面溶解氧、pH、氧化還原電位剖面及水柱參數(shù)變化。展示了沉積物-水界面溶解氧剖面的季節(jié)性變化趨勢，同時(shí)反映了水柱中溶解氧、pH、氧化還原電位以及上覆水中溶解砷含量的變化規(guī)律。

圖2、不同季節(jié)各區(qū)域沉積物-水界面溶解砷剖面趨勢。本圖顯示了不同季節(jié)（春、夏、秋、冬）藻類主導(dǎo)區(qū)域、過渡區(qū)域和大型植物主導(dǎo)區(qū)域沉積物-水界面溶解砷的垂直分布特征。

圖3、不同湖區(qū)上覆水和孔隙水中溶解砷差異。對比分析藻類主導(dǎo)、過渡和大型植物主導(dǎo)湖區(qū)在上覆水和孔隙水中溶解砷濃度的顯著差異。

圖4、沉積物-水界面砷釋放通量變化。展示不同湖區(qū)沉積物-水界面砷釋放通量的季節(jié)性變化，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示組間差異的顯著性。

圖5、孔隙水中相關(guān)參數(shù)剖面變化。呈現(xiàn)孔隙水中溶解性有機(jī)碳、硫酸根、總磷和銨氮含量的垂直分布特征及其季節(jié)性變化規(guī)律。

結(jié)論與展望

富營養(yǎng)化湖泊中大型植物（macrophytes）的減少正在改變沉積物中的物質(zhì)循環(huán)過程。然而，砷（As）在這一變化過程中的轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清楚。本研究采用高分辨率透析技術(shù)，測定了不同季節(jié)大型植物主導(dǎo)區(qū)（MD）和藻類主導(dǎo)區(qū)（AD）沉積物孔隙水中溶解態(tài)砷的含量，分析了沉積物中砷的賦存形態(tài)與環(huán)境因子變化之間的關(guān)系，并探討了砷的轉(zhuǎn)化過程。結(jié)果表明，從大型植物主導(dǎo)向藻類主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變增強(qiáng)了沉積物中砷的釋放。AD區(qū)孔隙水中溶解態(tài)砷在夏季達(dá)到峰值（120.36μg/L），表現(xiàn)出最強(qiáng)的釋放強(qiáng)度。而MD區(qū)則在春季呈現(xiàn)出顯著的砷釋放特征（34.92μg/L）。春季，MD區(qū)大型植物殘?bào)w的分解和酸化作用，以及有機(jī)質(zhì)（OM）的絡(luò)合作用，促進(jìn)了吸附態(tài)砷的釋放。相比之下，在夏季，AD區(qū)砷的釋放主要由鐵（Fe）氧化物的還原溶解以及溶解性磷（P）對吸附位點(diǎn)的競爭所驅(qū)動。此外MD區(qū)沉積物在夏季具有較高的腐殖化程度和較低的氧化還原電位，促進(jìn)了砷-硫共沉淀，從而導(dǎo)致砷被固定而非釋放——這與“溫度升高有利于沉積物砷釋放”的普遍觀點(diǎn)形成鮮明對比。本論文通過多季節(jié)、高分辨率數(shù)據(jù)，深化了對砷循環(huán)機(jī)制的理解，突出了生態(tài)管理在重金屬風(fēng)險(xiǎn)防控中的重要性。unisense微電極通過DO和pH的剖面數(shù)據(jù)，微電極量化了SWI的氧化還原梯度，所獲數(shù)據(jù)直接支持了論文的核心結(jié)論——生態(tài)regime轉(zhuǎn)變（如MD向AD過渡）會通過改變微環(huán)境而加劇砷釋放風(fēng)險(xiǎn)。Unisense微電極在本研究論文中作為本研究的方法學(xué)支柱，不僅實(shí)現(xiàn)了SWI微環(huán)境的精準(zhǔn)刻畫，還通過數(shù)據(jù)整合深化了對砷循環(huán)機(jī)制的理解，為湖泊富營養(yǎng)化治理提供了實(shí)證基礎(chǔ)。其應(yīng)用彰顯了高分辨率監(jiān)測技術(shù)在環(huán)境毒理學(xué)研究中的重要性。