沉积物-水界面研究在水环境治理中的应用

张逸飞，靳宇扬，刘佳佳，李文润，顾珉嘉

（南京科技职业学院 环境工程学院，江苏 南京 210048）

沉积物-水界面既是水环境生态系统中的重要组成部分，也是底栖动物和沉水植物的重要生长场所，是自然水体与周围环境差异性最显著的边界，在物理特征、化学特征以及生物特征方面都有明显差异[1]。水体和沉积物之间存在大量物质交换，主要发生在沉积物-水界面及其附近，这一系列物理化学反应包括吸附和解吸、迁移和转化、氧化和还原、溶解和沉淀等[2]。因此，沉积物-水界面是水环境化学循环与生态系统相互影响的重要场所，也被认为是影响水体中内源释放的重要因素[3]。水体中的上覆水通过沉降作用、物化作用和扩散作用等给沉积物-水界面提供物质交换基础；间隙水是沉积物和上覆水中溶解性物质迁移转化的中介[4]。除了物质自身的交换，沉积物-水界面还发生了不同相物质的传输[5]。有研究表明，溶解氧条件与水体中营养物质的释放有明显的相关性，好氧和厌氧条件对营养物释放速率的影响差异也较大[6]。在富营养化水体中，各类污染物质同时存在、互相影响，比如氮磷营养盐和重金属等污染物质在沉积物-水界面的迁移转化行为密切相关[7]。营养物质的持续输入、外界环境条件的改变等因素是造成沉积物-水界面表面环境微生物群落变化的主要原因[8]。认识和了解沉积物-水界面的研究方法以及污染物在沉积物-水界面的迁移转化过程，对探讨应该如何治理被污染的水环境具有重要的意义。

1 沉积物-水界面物质交换的影响因素

沉积物-水界面是指两个或多个物体之间的分界面，是一个既具体又抽象的概念。从宏观角度来看，沉积物-水界面是水体和沉积物两者之间有形的过渡区；从微观角度来看，两者相互融合，没有明显分界，如图1所示。

图1 沉积物-水界面示意

1.1 氧气含量

董慧[3]在水界面营养盐交换通量研究中表明，溶解氧不仅是调节沉积物-水界面氧化和还原环境的主要因素，也是影响沉积物中硝化与反硝化作用的重要因素。龚春生等[9]研究了沉积物-水界面在不同溶解氧条件下营养盐的交换，也得到了类似的结果，氮磷是由沉积物向上覆水释放还是由上覆水向沉积物释放取决于溶解氧的含量。间隙水和上覆水中溶解氧含量都会直接影响沉积物-水界面营养盐等物质的交换。

1.2 温度

随着季节的交替、温度的变化，上覆水体的物理化学参数也呈现出明显的变化。温度可以改变污染物质的水溶性和吸附活性，影响污染物在沉积物上的吸附特性。一般沉积物的吸附能力随温度的升高而降低，因为吸附过程是一个放热过程（分子内能转化为热能）。当温度升高时，沉积物对有机化合物和无机化合物的吸附能力均有所降低。温度对沉积物-水界面的物质交换有诸多影响，如影响物质的吸附能力、溶解度及水体中溶解氧含量等。

1.3 沉积物组成

沉积物中有机碳含量及其结构特征是影响沉积物吸附污染物质的重要因素，一般有机碳含量高的沉积物对有机污染物的吸附能力强[10]，结构复杂的沉积物对无机污染物的吸附能力较强。总体而言，沉积物颗粒粒径越小，表面积越大，吸附量越大，吸附能力越强。

1.4 生物扰动

生物扰动是指各种底栖生物的日常生命活动对周边环境的影响。其生命活动会影响沉积物的物理结构以及化学性质，一种生物的繁盛或消亡也会导致其他生物群类的兴衰，是一种复杂多变的影响因素，也是沉积物-水界面和环境相互影响的重要枢纽。

1.5 pH

一般高pH能显著强化沉积物对重金属物质的吸附和沉淀，低pH条件往往会减弱重金属物质在沉积物中的受吸附程度，缩短沉积物贮存重金属物质的时限。pH的影响更多体现在有机污染物方面，沉积物中有机质结构会随着pH变化而变化，比如在偏酸性情况下，分子态有机质更易吸附。

1.6 离子强度

溶液中离子浓度通常用离子强度来表示。当离子化合物溶于水解离成正负离子时，水中的电解质浓度会发生变化，也会影响一些盐类在水中的溶解度。以往的研究表明，重金属和有机污染物等物质的迁移扩散会受到离子强度的影响。罗雪梅等[11]研究发现，向沉积中加入一定浓度的钙离子可产生中和作用，减弱静电排斥，改变腐殖质的吸附聚集能力。

1.7 微生物

沉积物-水界面也是由多种微生物参与、频繁发生物质交换的综合体系。其中，微生物的活动可以通过同化作用和异化作用影响表层沉积物中有机质的矿化速率以及污染物的分布、形态和迁移转化等[8]。

2 沉积物-水界面研究在水环境治理中的应用

2.1 水环境污染现状

我国是水质性缺水国家，随着经济发展和人类频繁活动，河湖水环境形势严峻，水污染成为亟待解决的问题。工业废水和生活污水大量排放，高有机质含量和有毒有害物质若未经处理排入河湖中，会导致水污染日趋严重。只有对我国水污染防治予以高度重视，才能保证我国水资源支撑经济社会的可持续发展。通过研究水体中沉积物-水界面的物质交换和理化性质等，可以更好地解决这些问题，实现污染防治管控，为水环境质量改善提供参考依据。

2.2 沉积物-水界面的研究方法和技术

2.2.1 沉积物间隙水取样

沉积物和水体之间的物质交换主要通过间隙水实现。如何准确获得间隙水是研究者们研究的方向，也是研究沉积物-水界面的重要突破点。一般可以通过两种方式获得间隙水，即主动获取和被动采样。主动获取间隙水的两种常见方法是离心和抽吸，但是获取过程中环境的变化以及产生的向心力对间隙水的原位真实性影响较大，很难获得真实精准的含量。为了克服这些缺点，被动采样应运而生。目前，被动采样技术主要包括膜渗析平衡技术、薄膜扩散技术、半透膜技术等[12]。

2.2.2 沉积物-水界面过程模拟

沉积物-水界面过程模拟主要是研究界面和附近物质的迁移转化过程，分为静态模拟和动态模拟。

静态模拟主要是进行柱状样品的培养实验，通过控制环境变量（如温度、pH、溶解氧、微生物等）模拟小型沉积物水环境系统[13]。

在动态模拟实验中，流动界面稳态培养模拟技术的应用较为广泛。该技术主要模拟实际流动的水流，通过控制环境变量和气体含量来跟踪监测沉积物-水界面物质的迁移转化[14]。流动培养模拟实验可以实现氮磷、有机物的界面交换过程模拟。原位放置水底培养箱比较接近真实的水环境，但是耗时较长。沉积物-水界面过程模拟代表性研究方法对比如表1所示。

在动态模拟研究中，主要的影响因素为物理扰动和生物扰动。其中，物理扰动一般以层状影响为主，而生物扰动以点块等影响为主。在野外，水流和风浪是主要的物理扰动因素，室内实验也经常使用水泵和鼓风机等进行模拟，作用方式是使沉积物-水界面附近的沉积物发生再悬浮。探究此类因素时，矩形水槽和环形水槽是常用的动态模拟设备，两种水槽模拟的优缺点如表2所示[15]。目前，为了更真实地模拟沉积物和上覆水之间物质的迁移转化状态，常用重力、人造水流和人造风等方法。生物扰动是为了控制沉积物-水中扰动的过程，通常用定量分析等方法来确定沉积物颗粒的变化，例如生物扰动实验系统（Annular Flux System，AFS）[16]。

表2 矩形槽和环形槽研究方法对比

3 沉积物-水界面污染物迁移转化研究

3.1 营养盐

磷是湖泊富营养化的主要营养元素之一。研究者发现，无机态磷易从沉积物迁移到上覆水中。其中，铁结合态磷在缺氧条件下可以解离成水溶性磷，直接参与磷迁移[17]。在营养物的迁移转化过程中，人们往往将有机态氮磷作为共同的研究目标，但是氮磷的迁移转化机理有所不同。氮在沉积物-水界面的迁移转化主要看氮的存在形态，在好氧条件下，铵态氮易进入水体[18]。

3.2 重金属

重金属在沉积物-水界面的迁移转化主要和沉积物以及水体的理化性质有关。与营养盐类似，重金属在沉积物-水界面也会受到物理扰动和生物扰动的共同影响。氧化还原电位的影响较为重要，在好氧状态下，有机质易被氧化，可以更好地释放结合的重金属，促进重金属在沉积物-水界面的迁移转化[19]。

3.3 有机污染物

持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs）是人类治理环境污染和水体污染过程中难以处理的污染物，主要来源是人类从事各种生产活动产生的废料和残留物质，比如耕种时使用的农药、化工生产过程中工厂排出的工业废水和残渣等。POPs经各种途径排入水中后，一小部分溶于水体，大部分被水体中的可悬浮颗粒物吸附，然后经历沉降等物理化学作用，最后聚集到水体下面的泥沙沉积物中。最终，沉积物中的有机污染物含量达到水体中的数十倍。POPs在沉积物-水界面的迁移转化行为研究表明，沉积物深处受到生物扰动作用较弱，但是由于POPs的性质比较稳定，不易处理，会在沉积物中留存数年之久[20]。

4 结果与讨论

沉积物-水界面附近的物质迁移转化受到多种因素的共同影响。当外界污染源消失时，上覆水体中的污染物浓度会持续下降。在水体静态或动态条件下，沉积物作为污染物质的主要积蓄库，会向上覆水体源源不断地释放污染物质，这个释放过程会持续对水体造成二次污染。沉积物-水界面研究在水环境治理中的应用能为预测污染物质在水体和环境中的最终去向，预估受污染水体的沉积物对人类和环境的危害性以及在实际工作中如何控制与治理污染提供有效依据。

几十年来，人们在沉积物-水界面方面已开展了大量研究，特别是近10年来，研究进展突飞猛进。未来可继续开展以下研究：

第一，推进沉积物-水界面过程研究模型的构建。目前，仍然有很多复杂水域沉积物表层常会覆盖藻类，内部还有数量巨大的底栖生物产生扰动作用，使现有模型不能有效且准确地反映沉积物-水界面过程。

第二，完善沉积物-水界面认知过程与方法。现有的取样研究方法基本满足了研究所需，但与原环境相比仍有误差，需在完善时空差异与数据精细度上进一步探索。