薄膜扩散梯度技术的应用与城市内河沉积物中生物有效磷的监测*

陆森森 顾礼明 黄 骏 胡林潮

(常州市环境科学研究院，江苏 常州 213022)

近年来，国内有关沉积物中磷的研究，主要集中于湖泊[1]，而对于城市典型内河沉积物研究较少。城市内河是城市水环境的一个重要组成部分，在城市生态环境建设中具有重要意义。与一般水体相比，城市内河水系的水文及沉积过程都受到较严重的人为干扰。高强度的人类活动和工业活动必将导致城市内河承载过量的污染负荷，最终威胁城市居民健康和城市环境质量。

随着河道外源污染治理力度的加大，内源污染的强度呈现增加趋势，尤其是内源磷污染备受关注。然而，当前缺乏原位研究方法，在很大程度上限制了内源磷污染研究的深入拓展。目前，对河道沉积物磷污染的监测主要采用破坏性的采样和分析方法，即从河道采集沉积物，利用化学试剂对沉积物中的磷进行分级萃取，以此获取各种形态磷的含量和污染信息[2-3]。该分析方法为评价沉积物磷污染提供了有效手段，并能在实际的湖泊和河道治理工程中起指导作用。但是，沉积物从河道取出后，极易被空气氧化，导致沉积物性质发生很大变化。此外，化学萃取的极端条件(例如强酸、强碱、强还原性)在真实环境中难以达到，同时忽略了沉积物中的生物活动，因此不能反映沉积物中磷迁移转化的准确规律。萃取方式的多样性也导致一些结论相互矛盾。例如KOP等[4]将H2O和BD溶液(Na2S2O4/NaHCO3)萃取的磷作为厌氧释放导致水体磷污染的来源；ZHOU等[5]认为，NaOH萃取的磷可重新被藻类利用；而RYDIN[6]将NaOH萃取的磷酸根作为稳定的铝磷(Al-P)，认为NaOH萃取溶液中的磷60%(质量分数)可以重新被藻类利用。目前Psenner-Pucsko方法仍是分析沉积物磷结合态的最常用方法[7]。即使这样，对于萃取第一步采用H2O还是NH4Cl溶液，也仍然没有达成一致。此外，对于磷污染严重的城市内河而言，其沉积物中磷的含量较高，化学提取后的萃取液还需要进行酸碱中和和稀释处理才能进行含量测定，这样不可避免地产生一系列的误差，致使磷污染成因的准确分析存在一定偏差。

薄膜扩散梯度(DGT)技术是一种原位监测沉积物中生物有效磷(DGT-P)浓度分布的技术[8]。该技术基于自由扩散原理，通过磷等目标离子在扩散层的梯度扩散及其关联过程，获得目标离子在沉积物中的有效态含量与动力学变化信息。DGT装置由固定膜和扩散膜叠加组成，离子以扩散方式穿过扩散膜，随即被固定膜捕获，并在扩散膜上形成线性梯度分布，其靠近固定膜一端的离子浓度维持为零，与介质接触一端的是目标物的有效态浓度(CDGT)，通过Fick第一定律计算获得。

由于通过DGT技术所反映的离子扩散过程与实际环境中的扩散迁移及生物吸收过程具有可比性，该技术已经作为一种新的形态分析手段，逐渐被应用到水体、沉积物和土壤的分析。如在水体方面，通过DGT技术重点研究了自然水体和废水中金属离子的形态特征，以及与生物有效性、毒性、水体水质的关系等[9]。利用DGT技术测定可以原位获取沉积物中DGT-P组分的含量和空间分布信息，包括间隙水溶解态磷和从固相释放进入间隙水的磷组分。因此，通过DGT技术测定得到的有效态磷含量可以敏感地反映沉积物磷的污染状况和生物有效性。2010年，DING等研发了高容量固定膜——氧化锆膜(Zr-oxide膜)，并在此基础上发展了Zr-oxide DGT技术，将应用对象拓展到高磷背景的富营养化湖泊和河道[10-11]。

本研究采用Zr-oxide DGT技术，以城市内河(常州通济河)为例，对河道DGT-P浓度进行时间和空间上的监测分析。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验试剂

主要试剂：钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)、抗坏血酸、酒石酸锑钾(K(SbO)C4H4O6·1/2H2O)、浓硫酸、去离子水。

显色剂A(钼酸铵储备液)：称取20 g钼酸铵和0.5 g酒石酸锑钾分别于100 mL水中溶解，两者缓慢加入194.6 mL的浓硫酸中，冷却后定容至1 000 mL，摇匀，作为储备液贮存于棕色试剂瓶，在阴冷处可保存1个月。

显色剂B(Zr-oxide膜着色用)：称取1.5 g抗坏血酸溶于100 mL显色剂A中，然后加入预升温至30 ℃左右的去离子水1 000 mL，置于35 ℃水浴，恒温待用。该显色剂现配现用，限2 h内使用。

1.1.2 试验仪器与设备

试验主要仪器：扫描仪(Canon-5600F型，日本)、恒温水浴锅(HH-2型)、纯水仪(AQUELIX-5型)。

现场采样设备：自制投放器、Zr-oxide DGT装置、鱼线、鱼浮、采水器、洗瓶。

Zr-oxide膜由中国科学院南京地理与湖泊研究所丁士明课题组提供。

Zr-oxide DGT装置：主要使用沉积物中的平板装置，暴露面积为1.8 cm×16.0 cm，由有机玻璃自制而成。膜的叠放顺序依次是固定膜(沉降面朝上)、扩散膜和滤膜(厚度0.13 mm，孔径0.45 μm)。用于溶液测试的扩散膜厚度为0.80 mm，沉积物测试的扩散膜厚度为0.45 mm。测定沉积物DGT-P浓度时，装置在去离子水中充高纯氮气16 h以上，以去除装置中的空气。

1.2 沉积物中DGT-P浓度测试方法

1.2.1 采样点位布设

主要以城市内河(常州通济河)为研究对象，通济河总长度仅为1.5 km，经过实地考察并结合具体排污情况，2014年4月，从通江桥开始，自上游至下游，将河道约等分成12段，并考虑现场采样和其他干扰因素，每隔80～100 m设置一个采样点，共布设12个采样点，分布如图1所示。从上游至下游，将通济河分为4段：上游和中游各设置1个监测断面，编号为T1、T2，由于下游有一些农村直排排污口，故在排污口两端各设置1个监测断面，编号为T3、T4，考察排污口对城市内河沉积物中DGT-P浓度的影响。同时，考虑现场采样情况和经济可行性，将这4个监测断面作为全年监测点位，对通济河进行为期一年的采样检测工作，春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)每月采样2次，冬季(1、2、12月)由于沉积物中DGT-P浓度变化不大，故每月采样1次。

1.2.2 装置投放及回收

将组装好的Zr-oxide DGT装置存放于0.03 mol/L NaNO3溶液中，充高纯氮气16 h以上，密封保存待用。现场利用投放器将Zr-oxide DGT装置缓慢垂直插入沉积物中，保留装置距离界面以上2～4 cm(装置全长18 cm)，放置4 h取出装置，记录放置前后水体的温度，回收时标记好界面位置，用去离子水清洗干净后，装入自封袋，加入适量去离子水，密封带回实验室待分析。

图1 通济河监测点位分布示意图Fig.1 The sampling sites distribution diagram of Tongji River

1.2.3 Zr-oxide膜着色

将清洗后的Zr-oxide DGT装置平放，缓慢拆开，保持所有膜的位置不移动，在滤膜表面左、右边缘5 mm范围内，用陶瓷刀把Zr-oxide膜划开一个小口用于标记界面的位置，然后将Zr-oxide膜从装置中取出，用去离子水小心漂洗3遍，保持Zr-oxide膜沉降面朝上，表面用滤纸把水吸干，随后置于300 mL显色剂B，35 ℃水浴显色45 min(沉降面朝上)。

1.2.4 图像采集

着色后的Zr-oxide膜立刻用4 ℃的去离子水漂洗3遍，将表面残留的显色剂B洗净，随后将其浸泡在4 ℃的去离子水中，阻止Zr-oxide膜继续显色。5 min后取出Zr-oxide膜，用滤纸吸干表面水，水平放置于扫描仪的玻璃面上，着色面朝下，注意放置时膜与玻璃面之间避免产生气泡。扫描仪的分辨率设为150 dpi(相当于169 μm×169 μm)，扫描获得Zr-oxide膜的彩色图片。

1.2.5 数据处理

使用ImageJ软件对图像进行处理，收集数据。具体步骤如下：

(1) 先用图像处理软件将保存后的图像进行裁剪，截去边缘空白，保留中间着色的部分，通过旋转功能调整图片为界面朝上的垂直图像。

(2) 打开ImageJ软件，找到需要分析的图片，将图片转化为8-bit灰度图片，将其进行黑白反相。将反相后的图片另存为文本格式，得到分辨率为169 μm×169 μm的灰度数据。

(3) 利用已有的磷累积量与灰度对应的标准曲线(见式(1))，将得到的灰度数据转化为Zr-oxide膜单位面积上磷的累积量(M0，μg/cm2)，进一步得到相应分辨率下Zr-oxide膜上磷的累积量(M，μg)(见式(2))。随后，利用DGT公式(见式(3))计算DGT-P浓度(cDGT，mg/L)。此外，可以根据分辨率的需要对数据进行适当组合。

膜着色45 min后的标准曲线对应的方程如下：

(1)

M=M0×A

(2)

DGT-P浓度计算如下：

(3)

式中：Grayscale为图像灰度；A为相应分辨率下膜的面积，cm2；Δg为扩散层厚度，cm；D为磷的扩散系数，cm2/s；t为放置时间，s。

2 结果及讨论

2.1 沉积物中DGT-P浓度空间分布

2014年4月，通济河1#～12#采样点Zr-oxide膜显色照片如图2所示。从图2可知，通济河6#～9#采样点Zr-oxide膜显色照片较其余采样点颜色浅，说明河道中间段沉积物中DGT-P浓度较两端低，内源磷污染风险相对河道两端较轻；12#采样点位于城中村居民生活污水排放口附近，故DGT-P浓度较高，与试验结果一致。

磷的分布具有很大的空间异质性，并且出现很多浓度异常高的微小区域，这些直径只有几毫米或微米的微小区域称为微生态点。微生态点在WIDERLUND等[12]和DING等[13-14]分析沉积物中活性硫二维空间分布时也有提及，通常归因于局部区域微生物活动或大量有机质的强烈分解作用。

图2 通济河12个采样点的Zr-oxide膜显色照片Fig.2 12 scanned images of the colored Zr-oxide gel

2.2 沉积物中DGT-P浓度垂向分布

从DGT-P浓度的一维空间垂向分布图(见图3，5#采样点由于膜处理过程中有气泡渗入，导致部分数据缺失，但是整体趋势应该与其余采样点一致)可看出，DGT-P浓度在垂向分布上具有较大的差异，大部分采样点(6#、7#、9#、12#采样点除外)表现如下：DGT-P浓度由沉积物-水界面至界面下10 mm呈缓慢增加的趋势，之后快速升高，然后逐渐降低，在沉积物的中段出现峰值，总体波动较大。然而6#、7#采样点与大部分采样点的剖面表现不同，垂向变化大，表现出一定的空间异质性，DGT-P浓度在沉积物-水界面下0～20 mm基本保持为零，峰值出现在40～80 mm，说明这2个采样点沉积物表层几乎没有浮泥存在，质地较严实，主要是由于该区域远离人类活动区，受污染程度轻，所以沉积物中磷的累积量小，DGT-P浓度低，且沉积物和水之间磷的迁移转化不活跃，内源磷污染较轻。9#采样点峰值出现在深度为90 mm左右，说明该采样点沉积物表层质地较6#、7#采样点更严实，磷污染主要在沉积物的深处。12#采样点DGT-P浓度垂向变化不明显，但DGT-P浓度高，呈现与其余采样点完全不同的变化趋势，主要是由于该采样点的沉积物累积大量有机质，导致湖底黑色淤泥层深厚且质地较松软，故表层沉积物中磷的含量高于其他采样点，该采样点整体磷污染为整条河道最重。

由此可见，根据Zr-oxide DGT技术分析河道沉积物DGT-P垂向分布所得结果，通济河沉积物内源磷的释放很大程度上取决于表层2～5 cm沉积物磷的释放潜力，同时可以清晰地了解城市河道沉积物中DGT-P浓度的分布现状和规律。

2.3 沉积物中DGT-P浓度季节性变化特征

通济河全年各监测断面DGT-P质量浓度如表1所示。

表1 通济河全年各监测断面DGT-P质量浓度

由表1可知，DGT-P浓度在整体上表现出T4>T1>T3>T2，从夏季到冬季，各监测断面沉积物中DGT-P浓度逐渐降低，且降低幅度较大，T1从0.546 mg/L降低到0.135 mg/L，T2从0.479 mg/L降低到0.071 mg/L，T3从0.600 mg/L降低到0.101 mg/L，T4从0.524 mg/L降低到0.164 mg/L(高值选择夏季最高浓度，低值选择冬季最低浓度)，重污染区异质性更加明显，这说明夏季河道中水生植物大量聚集，消耗溶解氧，使沉积物表层处于缺氧或厌氧状态，导致沉积物中各种结合态磷释放，向表层和间隙水迁移，进而释放进入上覆水。因此，夏季表层沉积物具有较大的内源磷释放潜力。且夏季温度高，沉积物中磷的释放速率快。随着秋、冬季温度降低，水生植物出现一定死亡，水质状况较好，沉积物中溶解氧较充足[15]，磷大多以结合态的形式沉降到底部，释放潜力较小。

图3 沉积物中DGT-P一维空间垂向分布Fig.3 One-dimensional vertical distributions of DGT-P in 12 sediments

冬季气温较低，沉积物-水界面DGT-P迁移缓慢，浓度较低，维持在0.2 mg/L左右。随着气温的升高，沉积物中DGT-P浓度随之升高。由此可见，温度越高，沉积物中有机质的反应活性越高，导致6—10月DGT-P浓度明显高于其余月份，说明DGT-P浓度受水温的影响较大，其季节性变化顺序为夏季>秋季>春季>冬季。

3 结 论

(1) DGT-P浓度在垂向分布上具有很大的差异，大部分采样点分布呈现先缓慢的增加，随后快速升高，然后逐渐降低，在沉积物的中段出现峰值。

(2) 沉积物DGT-P浓度呈明显季节性变化，在河道4个监测断面均有体现。夏季沉积物DGT-P浓度明显高于秋、春季，冬季最低。

(3) Zr-oxide DGT技术可以直观反映城市内河沉积物中DGT-P浓度，同时反映河道内源性磷释放潜能，为黑臭河道的整治提供有力的技术支撑。

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