表层流湿地中不同沉积环境下沉积物重金属积累、活性及生态风险：与有机碳组分及孔隙水生物地球化学的关联

《Journal of Hazardous Materials》：Heavy metal accumulation, lability, and ecological risk in sediments across contrasting depositional settings within a surface-flow wetland: Associations with organic carbon fractions and porewater biogeochemistry

　　**摘要要点**- 沉积环境在沉积物累积和粒径组成方面存在差异。- 金属累积和有机碳组分呈现出不同的空间分布。- 钴（Co）主导了污染，而镉（Cd）对生态风险的贡献最大。- 当代金属活动性并不一致地平行于金属总累积量。- 有机碳及与金属相关的生物地球化学关联在不同沉积环境中存在差异。**引言**高原湿地是元素生物地球化学和污染物保留的关键区域。周期性变化的淹没和沉积物氧化还原条件会影响这些生态系统中重金属（HMs）的分配、累积和迁移[1]。周边流域的农业活动可通过化肥、粪肥和农业废水引入金属，增加沉积物污染及相关生态风险[2]。一旦沉积，沉积物既充当记录累积金属输入的汇，又充当潜在二次源——当理化条件变化促进金属脱附、溶解或向覆水扩散时[3]。有机碳（OC）通过为金属提供结合相并驱动改变沉积物氧化还原条件和金属分配的微生物过程，在这一双重作用中密切相关[4]、[5]。地表流湿地内颗粒沉积、有机碳累积和沉积物-水交换的空间差异，因此可产生不同的沉积和生物地球化学环境，用于考察有机碳组分、金属累积和当代迁移性之间的关系[6]、[7]。有机碳由多个具有对比反应活性和持久性的操作定义碳库组成，其对沉积物金属的影响取决于碳组成和周围地球化学条件[8]、[9]。相对反应性组分，如易氧化碳（ROC）和轻组分有机碳（LFOC），代表易于转化的碳库，为微生物代谢提供底物，而其相关有机化合物参与金属络合和氧化还原敏感的再动员[10]、[11]。菌丝相关土壤蛋白组分，包括易提取菌丝相关土壤蛋白（EE-GRSP）和总菌丝相关土壤蛋白（T-GRSP），可促进沉积物团聚、有机-矿物结合和金属结合[9]、[12]。因此，这些有机碳组分通过两条主要途径影响金属行为：直接吸附和络合，以及通过微生物呼吸和含Fe/Mn相的氧化还原敏感转化进行的间接调节[4]、[5]。反应性有机碳的降解还可释放溶解有机配体，再动员相关金属，并促进含金属相的还原溶解[4]、[10]。因此，单个有机碳组分的净影响并非一致地固定或动员金属，而是随其化学特性以及沉积物的理化氧化还原条件而变化[5]。通过改变金属保留和再动员，这些有机碳介导的过程影响沉积物金属含量与潜在暴露之间的关系，对污染和生态风险评估具有意义[3]、[13]。然而，多种有机碳组分与金属累积、当代活动性和生态风险之间的关系仍有待充分解决。这些关系还受沉积物和沉积物早期成岩环境的塑造[5]、[14]。在埋藏后，有机碳的微生物矿化逐步消耗电子受体并驱动早期成岩氧化还原转化[5]、[15]。这些转化改变含Fe/Mn相和有机络合，从而在沉积物固体和孔隙水之间重新分配金属[16]、[17]。在还原条件下，硫化物形成和次生矿物沉淀可进一步限制溶解金属形态和迁移性[18]、[19]。由于不同沉积环境在颗粒供给和沉积物累积方面存在差异，它们建立了不同的埋藏和交换机制[6]、[7]。有机碳埋藏和沉积物-水溶质交换的相关差异可产生对比的理化条件和孔隙水地球化学特征[14]、[20]。沉积物总浓度主要整合累积输入和埋藏历史，因此不一定反映参与当代再动员和沉积物-水交换的溶解或活动金属库[3]、[14]。高分辨率透析采样器（HR-Peepers）提供沉积物孔隙水溶解金属浓度的深度分辨测量[21]、[22]，而薄薄膜中的扩散梯度（DGT）整合操作中活动金属的扩散供给以及部署期间来自沉积物固体的补充[23]、[24]。然而，沉积环境、有机碳组分、孔隙水地球化学和当代金属活动性之间的关联仍有待充分解决，特别是在高原地表流湿地中。因此，本研究调查了中国西南部的人工高原地表流湿地——洛施江湿地，该湿地从上游农业活动接收重金属和有机碳。沿湿地流路径选择三个位置，代表不同的沉积环境，用于考察相关的沉积物性质和金属行为的空间变化。研究目标为：(1) 利用21?Pb衍生的沉积速率和沉积剖面特征描述三个采样位置的沉积环境；(2) 表征重金属和有机碳组分的空间及垂向分布并考察其关联；(3) 评估重金属污染和生态风险，并利用孔隙水浓度、DGT活动金属浓度、扩散通量和模拟水相形态学评估当代金属活动性和沉积物-水交换；(4) 考察有机碳组分、沉积物理化和氧化还原条件及微生物指标与金属累积、活动性和生态风险的关联。**章节摘要****研究区域**洛施江湿地（25°42′–25°55′N, 100°08′–100°15′E）位于中国西南部云南省大理北部。这片高原人工地表流湿地面积约0.44 km2，位于洱海上游流域。该地区属亚热带季风气候，干湿季分明，年平均气温15.2°C，年平均降水量1000 mm。该湿地于2009年建成以……**沉积环境与沉积物性质的空间变化**可估算L1和L2的沉积速率，而CIC和CRS模型均不适用于L3（图2）。通过蒙特卡洛方法传播21?Pb_ex分析误差，得出L1的CIC沉积速率估计值为0.775 cm y?1（95%不确定区间：0.659–0.927 cm y?1），L2为0.691 cm y?1（0.595–0.817 cm y?1）。L1略高的CIC估计值表明该地点沉积物累积相对较强，与通常增强的颗粒沉积一致……**结论**洛施江湿地沉积物在入口、内部和出口之间表现出沉积物累积、粒径组成、有机碳组分、孔隙水化学和金属行为的明显差异。大多数金属总含量在入口方向较高，而部分有机碳组分在出口方向增加，表明金属累积和有机碳分布不存在空间耦合。污染和生态风险评估显示了对比性的金属特异性模式，其中……**研究意义声明**湿地沉积物中的重金属污染不能仅通过金属总累积量来完全表征。在洛施江人工地表流湿地中，将金属总含量和有机碳组分与薄薄膜中的扩散梯度（DGT）、溶解孔隙水金属、沉积物-水扩散通量、孔隙水形态学和细菌指标相结合，揭示了不同沉积环境中金属累积、生态风险和活动性的不同模式。**CRediT作者贡献声明**马云曼：写作–初稿、可视化、方法论、调查、概念化。刘鹏明：方法论、调查。刘雪：方法论、概念化。梁启宾：方法论、调查、资金获取、概念化。侯磊：写作–审阅与编辑、验证、方法论、资金获取、概念化。王艳霞：方法论、概念化。张春明：方法论、概念化。吴睿：方法论、调查……**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文工作的已知经济利益或个人关系。**致谢**本研究受国家自然科学基金（项目编号22066023和41663016）和云南省科技人才与平台计划（项目编号202105AG070002）资助。**作者**马云曼|王艳霞|张春明|吴睿|刘鹏明|刘雪|梁启宾|侯磊