潮流水域湿地中重金属和疏水性有机污染物的归趋分析：为针对特定污染的生态修复策略提供启示

《Marine Environmental Research》：Fate Analysis of Heavy Metals and Hydrophobic Organic Pollutants in Tidal Flow Wetlands: Insights for Pollution-Specific Ecological Remediation Strategies

潮间带湿地（TFWs）在协同去除化学需氧量（CODMn）、氮磷、重金属及有机污染物方面表现出显著效能，铁改性生物炭通过增强微生物降解和底泥吸附，使CODMn去除率达92.5%、重金属（Pb、Cd）去除量达3.50 mg/m2/d和0.71 mg/m2/d，并指出IV fugacity模型需优化参数以准确预测污染物分相行为。

　　本文探讨了滨海湿地在调节生物地球化学循环和减轻人为污染物方面的重要作用，并通过实验和模型分析，研究了人工设计的潮汐流动湿地（TFWs）在去除多种污染物方面的效率与机制。研究以上海南汇东滩湿地（NDW）为背景，模拟其水动力条件，建立了实验室规模的TFWs系统，评估了不同污染物的协同去除效果。研究发现，TFWs在去除化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）、重金属（如铅和镉）、多环芳烃（PAHs）以及双酚类化合物（BPs）方面表现出卓越的能力，其去除效率分别为0.45 g/m2/d、0.38 g/m2/d、0.051 g/m2/d、3.50 mg/m2/d、0.71 mg/m2/d、1023.64 μg/m2/d和404.60 μg/m2/d。这些数据表明，TFWs在处理复杂污染环境中具有显著优势。

研究还进一步分析了污染物在湿地中的行为机制，揭示了不同污染物的去除路径及其影响因素。例如，重金属的去除主要依赖于基质吸附作用，占总去除量的63.18%。相比之下，疏水性有机化合物（HOCs）的去除则主要通过生物降解，其贡献比例达到62.15-70.86%。研究中引入的铁改性生物炭显著增加了特定微生物群落（如Altericroceibacterium、Arcobacter和Methylophaga）的丰度，这些微生物在TFWs中表现出对HOCs的特异性降解能力。此外，植物吸收和底栖生物富集也被确认为重金属和HOCs去除的重要途径，其贡献比例分别为7.58-11.94%和4.07-5.21%。这表明，在不同污染物主导的环境中，应采取不同的修复策略：对于以重金属为主的污染场景，应优先考虑基质改良；而对于以HOCs为主的污染场景，基质改良可以与Scirpus mariqueter（一种常见于滨海湿地的植物）种植相结合，以提高去除效率。

为了更准确地预测污染物在湿地中的行为，研究还评估了Level IV fugacity模型的应用效果。该模型在模拟污染物在水、沉积物、植物和生物体之间分配方面表现出良好的预测能力。然而，研究发现，铁改性生物炭的添加提高了沉积物-水相分配系数（Ks），从而低估了与基质相关的重金属浓度。同时，植物根系诱导的“铁膜”增强了水生植物对HOCs的富集因子（KG），导致HOCs在植物中的浓度被低估。这些发现强调了在水动力-生态耦合模型中进行参数优化的必要性，以更精确地反映污染物的真实行为。

滨海湿地作为连接陆地与海洋的重要生态屏障，其功能在维持生态安全和生物多样性方面至关重要。然而，随着城市化进程的加快和人类活动的增加，滨海湿地正面临严重的生态退化问题。例如，氮和磷的输入导致了沿海生态系统中频繁的富营养化现象，而工业废水排放则造成了重金属和HOCs的累积。过去30年间，沿海地区的重金属污染从单一金属污染逐渐演变为复杂的多金属污染，这一趋势与农业面源污染、不合理的饲料添加剂使用以及密集的农药管理密切相关。此外，工业排放和化石燃料燃烧释放的持久性有机污染物（如PAHs和二噁英）也通过大气沉降进入滨海湿地，进一步加剧了污染问题。

在实际环境中，重金属和HOCs往往同时存在，它们之间的相互作用可能对污染物的去除效率产生重要影响。例如，重金属可以通过表面络合或改变局部疏水性来抑制或促进HOCs的吸附。同时，HOCs的存在可能影响微生物膜的流动性或离子调节过程，从而增强重金属的生物可利用性，促进其被植物根系吸收。此外，HOCs还可能抑制微生物活性，降低污染物的降解效率。因此，全面理解污染物在滨海湿地中的行为对于提高修复效率具有重要意义。

不同污染物在湿地中的命运因它们的理化性质而异。例如，汞（Hg）在Avicennia marina（红树林植物）中的迁移因子（TF）为0.85，显示出较高的生物可利用性；而锌（Zn）在Kandelia candel（红树植物）中的TF为0.80，同样具有较强的植物吸收能力。相比之下，镉（Cd）在Bruguiera gymnorrhiza（红树植物）中的TF为0.56，而铅（Pb）在Rhizophora mangle（红树植物）中的TF仅为0.07，表明铅的植物吸收能力相对较弱。此外，低分子量的PAHs（LMW PAHs）主要通过微生物降解去除，而高分子量的PAHs（HMW PAHs）则更倾向于被基质吸附。环境条件也在一定程度上调控污染物的行为，例如，沉积物相关污染物的浓度增加会促进植物吸收，但当浓度超过一定阈值后，基质吸附则成为主要的去除途径。

在高温度、高湿度的红树林湿地中，生物降解速率较快；而在盐沼湿地中，低温条件可能抑制微生物的降解能力。因此，在不同的湿地类型和环境条件下，污染物的去除机制可能有所不同。基于这些发现，研究强调了在滨海湿地修复过程中，需要综合考虑多种去除机制，包括基质吸附、植物吸收、底栖生物富集以及微生物降解等。

本文的研究不仅揭示了TFWs在去除多种污染物方面的高效性，还提出了针对不同污染物类型优化修复策略的建议。例如，在重金属污染严重的区域，应优先考虑基质改良措施，以提高污染物的去除效率；而在HOCs污染突出的区域，基质改良可以与Scirpus mariqueter种植相结合，从而实现更全面的污染物控制。此外，研究还指出，当前的水动力-生态耦合模型在预测污染物行为时，仍存在一定的局限性，特别是在考虑植物和微生物活动对污染物命运的影响方面。因此，未来的模型开发应更加注重参数的优化，以提高预测的准确性。

为了验证这些假设，研究团队采用了实验室模拟实验和基于 fugacity 的建模方法。通过模拟TFWs的水动力条件，研究人员能够更精确地控制实验环境，并观察不同污染物在湿地中的行为变化。实验结果表明，TFWs在去除多种污染物方面表现出色，尤其是在处理重金属和HOCs的协同污染时。此外，实验还揭示了植物根系在污染物去除中的重要作用，特别是在促进微生物活动和增强基质吸附能力方面。

研究还特别关注了Scirpus mariqueter在湿地修复中的应用。作为一种适应性强、根系发达的植物，Scirpus mariqueter在防止侵蚀、稳定沙土和形成栖息地方面发挥着重要作用。然而，由于城市化和长江流域沉积物输送的变化，Scirpus mariqueter的种群密度显著下降，从成熟群落中常见的4000株/m2减少到目前的约1000株/m2。这一变化不仅影响了植物的生态功能，也对与之相关的微生物群落产生了负面影响，导致其多样性降低。因此，在实际修复过程中，除了改善基质条件外，还需要恢复Scirpus mariqueter的种群密度，以充分发挥其生态修复潜力。

此外，研究还探讨了铁改性生物炭在湿地修复中的应用。这种改良基质能够显著提高重金属的去除效率，同时促进特定微生物群落的生长，从而增强HOCs的降解能力。然而，铁改性生物炭的使用也带来了一些挑战，例如，它可能改变沉积物-水相的分配系数，从而影响模型预测的准确性。因此，在实际应用中，需要对这些参数进行优化，以确保模型能够更真实地反映污染物的动态变化。

研究团队还分析了不同污染物在湿地中的行为模式，以评估其在不同环境条件下的去除效率。例如，低Kow值的LMW PAHs主要依赖于微生物降解，而高Kow值的HMW PAHs则更倾向于通过基质吸附去除。这些差异表明，针对不同污染物类型，应采用不同的修复策略，以提高整体的污染物去除效果。同时，研究还指出，环境条件如温度、湿度和沉积物性质对污染物的行为具有重要影响，因此在进行湿地修复时，需要综合考虑这些因素。

最后，本文的研究为滨海湿地的生态修复提供了重要的科学依据和实践指导。通过结合实验和模型分析，研究人员能够更全面地理解污染物在湿地中的行为，并据此制定更加有效的修复方案。未来的研究可以进一步探索不同修复措施的协同效应，以及如何通过优化水动力条件和微生物群落结构来提高污染物的去除效率。此外，随着环境治理技术的不断发展，如何将这些研究成果应用于实际的湿地修复工程，也将成为重要的研究方向。