氧化还原交替作用驱动沉积物还原能力的动态变化：还原性有机物质的主导作用及亚铁-硫的协同机制

《Environmental Science & Technology》：Redox Alternation Drives Dynamics of Sediment Reducing Capacity: Dominance of Reducing Organic Substances and Ferrous-Iron/Sulfur Synergistic Mechanisms

　　

摘要

沉积物还原能力会影响底栖生境的功能以及碳、营养物质和污染物的生物地球化学循环。然而，沉积物还原能力的组成复杂性及其对氧化还原变化的响应机制目前仍不够明确。我们利用来自中国四个不同营养状态的水体中的20种淡水沉积物（洪湖：HL，n=3；下山水库：XR，n=6；玉东水库：YR，n=7；张河水库：ZR，n=4），通过实验室模拟氧化还原变化的条件，监测了沉积物还原能力及其不同组分（RC_pH7.0、RC_pH2.0）的变化情况，并分析了主要还原成分（还原性有机物质RedOr、Fe(II)和硫化物Sⁿ，?2 ≤ n < 0）的响应特性。氧化还原变化引发了不同的沉积物还原能力响应，在有氧条件下还原能力下降，而在无氧条件下则有所恢复。沉积物还原能力的波动幅度因沉积物类型而异，RedOr-Sⁿ型沉积物（洪湖/下山水库）的波动幅度大于RedOr-Fe(II)型沉积物（玉东水库/张河水库）。不同沉积物类型中各成分对沉积物还原能力的贡献也存在显著差异（p < 0.05）。在RedOr-Sⁿ型沉积物中，还原性有机物质对沉积物还原能力变化的贡献最大，占比为45.9–71.2%，而RedOr-Fe(II)型沉积物中这一比例为35.7–52.2%；在RedOr-Fe(II)型沉积物中，Fe(II)的贡献率为45.8–61.5%，而RedOr-Sⁿ型沉积物中这一比例为18.9–26.6%；Sⁿ在RedOr-Sⁿ型沉积物中的占比为8.73–27.5%，在RedOr-Fe(II)型沉积物中仅为1.62–2.62%。这些差异反映了无氧环境对各种成分反应性和丰度的影响。RedOr-Sⁿ型沉积物中，还原性有机物质、Fe(II)和Sⁿ的含量都会增加，而RedOr-Fe(II)型沉积物中主要是Fe(II)的反应性增强，还原性有机物质和Sⁿ的变化相对较小。从机制上来看，观察到的沉积物还原能力变化与不同的铁元素循环路径有关。在RedOr-Sⁿ型沉积物中，可利用的Fe(III)含量较少，这说明磁铁矿在其中的作用更为重要；而在RedOr-Fe(II)型沉积物中，易还原/可还原的Fe(III)占比更高。我们的研究结果表明，富营养化沉积物的还原能力变化非常显著，并且表明氧化还原变化是一种有效的诊断工具，可用于识别具有还原性的沉积物类型，并确定相应的调控目标。