中国沿海沉积物中DGT有效态痕量金属的大陆尺度分布特征及其生态风险调控机制

《Water Research》：Sediment properties dominate the spatial distribution of DGT-labile trace metals in China’s coastal sediments at a continental scale

本研究针对中国沿海沉积物中痕量金属生物有效性评估难题，通过DGT技术首次揭示大陆尺度下Cu、Zn、Pb、Cd的空间分异规律，发现沉积物理化性质（电导率/黏土/有机碳）通过竞争吸附和有机络合等途径调控金属生物有效性，概率风险评估显示Cu（平均风险商数2.66）及金属混合物对水生生物构成显著毒性威胁，为海岸带精准治理提供科学依据。

　　

随着中国经济的快速发展，沿海地区承载了全国44.8%的人口和52.8%的GDP，但也面临着严峻的痕量金属污染压力。2022年，约有4.6千吨铅和0.4千吨镉被排入沿海生态系统。这些持久性污染物不仅能在海洋生物体内富集和放大，还通过食物链威胁人类健康。更令人担忧的是，气候变迁和人类活动的协同效应正在加剧沉积物中金属的活化，进一步推高生态和公共健康风险。

传统上，评估沉积物中痕量金属风险往往依赖于总量浓度，但越来越多的研究表明，金属的生物毒性和生态效应主要取决于其生物有效性而非总量。然而，当前对痕量金属生物有效性的认识仍存在重大空白：中国沿海沉积物中DGT有效态金属的空间格局、关键调控机制及生态风险尚不清晰；沉积物性质如何通过孔隙水pool和固-液界面动力学介导金属生物有效性的路径亟待量化；人为输入与金属生物有效性之间的定量联系尚未建立。

针对这些科学问题，四川师范大学的研究团队在《Water Research》上发表了一项开创性研究。他们沿中国东部海岸线设置了16个采样点，首次在大陆尺度上系统揭示了DGT有效态痕量金属的空间分布规律，量化了控制因素和途径，并通过概率建模评估了生态风险。

研究团队运用了多项关键技术方法：采用薄膜扩散梯度技术（DGT）被动采样器评估痕量金属生物有效性；通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析金属浓度；利用铅同位素示踪技术定量解析污染来源；建立概率风险评估模型量化生态风险。所有样本均来自中国沿海16个代表性站点，涵盖北温带至热带气候区。

主要研究结果

研究区域与样本采集

研究在从辽宁锦州到广东湛江的纬度梯度上设立了16个沿海采样点，覆盖中温带、亚热带和热带季风气候区。共采集48个沉积物样本，确保了研究的空间代表性。

基本沉积物理化性质

沉积物理化性质表现出显著空间变异：铁浓度0.65%-6.12%，沉积物有机碳（SOC）含量0.97%-9.33%，pH值6.97-8.58，电导率（EC）754-8190 μS/cm，黏土含量0.61%-34.20%。这种异质性为研究环境因子对金属生物有效性的调控提供了理想条件。

总量和DGT有效态金属浓度及再活化动力学

DGT有效态Cu、Zn、Pb、Cd的平均浓度分别为7.10、3.83、0.63和0.12 μg/L（排除葫芦岛异常高值点）。空间上，渤海和东海沉积物中DGT有效态金属浓度较高，而南海和黄海浓度较低。特别值得注意的是，虽然杭州湾站点总量金属浓度最高，但DGT有效态金属峰值出现在葫芦岛站点，表明总量浓度并非生物有效性的直接指标。

控制DGT有效态金属空间分布的关键因素

沉积物理化性质是主导因素：电导率、黏土含量和沉积物有机碳主要通过竞争吸附和有机碳矿化增强固-液再供给能力，从而控制Zn、Pb、Cd的分布；而对于Cu，这些性质主要通过有机络合和氯络合物形成增加孔隙水中金属溶解度来调控。铅同位素分析表明，中国大部分沿海沉积物中的痕量金属以自然来源为主，而人为热点区表现出源依赖性和迁移途径依赖性的DGT有效态金属浓度特征。

DGT有效态金属的生态风险

概率风险评估显示，Cu的生态风险最高（平均风险商数RQ=2.66；毒性概率17.5%）。更值得关注的是，金属混合物对水生生物群构成毒性威胁的可能性达22.6%，凸显了复合污染的严重性。

研究结论与意义

该研究首次在大陆尺度上揭示了中国沿海沉积物中DGT有效态痕量金属的空间分布模式，阐明了沉积物理化性质作为环境过滤器通过调控孔隙水pool和固-液界面动力学而主导金属生物有效性的关键路径。研究证实，在大部分中国沿海沉积物中，自然来源主导痕量金属组成，而人为热点区表现出独特的源依赖性和迁移途径依赖性特征。

概率风险评估框架的建立，实现了从单一毒性指标向综合概率评估的范式转变，为海岸带精准环境管理提供了可操作的度量指标。研究不仅深化了对沉积物-水界面生物地球化学过程的理解，更展示了如何将基础科学研究转化为环境管理实践，为全球沿海生态系统的可持续治理提供了重要参考。

这项研究的创新之处在于将DGT技术、铅同位素示踪和概率风险评估有机整合，建立了从源解析到风险量化的完整技术链条，为应对快速城市化背景下的海岸带环境挑战提供了科学基础和技术支撑。