湖泊地下水排放中潜在有毒元素的归趋与风险：定量分析、模型构建及生物地球化学机制

为解决湖泊生态系统中潜在有毒元素（PTE）的污染来源、迁移规律及健康风险问题，研究人员采用自组织映射（SOM）和正矩阵分解（PMF）模型，结合多同位素示踪（δD/δ18Owater、87Sr/86Sr等）和微生物群落分析，揭示了乌梁素海盆地PTE的富集机制及地下水排放（LGD）驱动的迁移通量。研究发现蒸发岩溶解（贡献46.2%）是主要来源，Mn和Sr的LGD通量分别达1.71±0.05和8.63±0.23 mg/m2/d，且地下水PTE对儿童致癌风险（CR=0.007）显著高于地表水。该研究为干旱区湖泊污染治理提供了科学依据。

　　

湖泊被誉为“地球之肾”，但在工业化和农业活动影响下，全球湖泊正面临潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTE）污染的严峻挑战。PTE包括重金属和类金属，具有持久性、生物累积性和毒性，可导致神经系统损伤甚至癌症。尽管湖泊沉积物中PTE的研究已较充分，但对其通过地下水-湖泊界面迁移的过程及生态健康风险的认识仍存在重大空白。内蒙古大学河流与湖泊生态重点实验室的研究团队选择蒙古高原典型干旱区湖泊——乌梁素海作为研究对象，通过多学科交叉方法揭示了PTE在湖泊地下水排放（Lacustrine Groundwater Discharge, LGD）过程中的归趋机制，相关成果发表在《Environment International》上。

研究团队整合了水化学分析、污染指数评估、稳定同位素（δD/δ¹⁸O_water、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、δ³⁴S/δ¹⁸O_sulfate）和放射性同位素（²²²Rn）示踪技术，结合微生物16S rRNA测序和功能预测（PICRUSt/FAPROTAX），对68个水样（40个地下水、15个湖水、13个河水）进行了系统分析。通过自组织映射（SOM）聚类和正矩阵分解（PMF）模型量化污染来源，并采用氡质量平衡模型计算LGD通量。

3.1 描述性特征分析
地下水PTE浓度显著高于地表水，其中Mn含量相差230倍（0.575 vs. 0.003 mg/L），Cr、Ni、Zn、Ba分别高出2-3倍。还原性地下水环境（Eh=-40.9 mV）促进Mn等元素迁移，而高pH（10.2）地表水抑制PTE活性。

3.2 污染来源解析
PMF模型揭示四大来源：蒸发岩溶解（46.2%，主导Li、Sr富集）、工业输入（23.1%，贡献V、Mn）、氧化还原过程（23.9%）和农业活动（6.8%，关联Cr、Ba）。⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和δ³⁴S同位素证实蒸发岩溶解是核心地球化学过程。

3.6 LGD驱动的PTE迁移
²²²Rn模型计算显示LGD速率达2.98±0.08 mm/d，贡献Mn（1.71 mg/m²/d）和Sr（8.63 mg/m²/d）的主要入湖通量，显著影响湖泊水质。

3.7 微生物响应机制
地下水微生物丰度（Ace指数=1751±577）高于地表水，但功能多样性更低。表面活性PTE（如Pb）显著抑制微生物氧化功能（p<0.01），而地下水中PTE多吸附于矿物表面，生物有效性较低。

3.8 健康风险评估
地下水PTE的非致癌风险（HI=1.43）和致癌风险（CR=0.005）均高于地表水，儿童尤为脆弱（每千名儿童5-8例致癌风险）。Cr是主要致癌因子，贡献率达41%。

该研究首次量化了LGD过程对干旱区湖泊PTE循环的贡献，揭示了矿物溶解与人为活动的协同效应。通过建立同位素-微生物-模型的多维评估框架，为跨境污染治理提供了新思路。研究强调需优先控制工业排放和农业渗滤，同时将LGD纳入湖泊管理策略，尤其关注儿童健康防护。未来需结合季节性监测，深入探究微生物介导的PTE形态转化机制。