薄膜扩散梯度（DGT）技术在环境微界面物质运移过程研究中的应用

土壤、沉积物、水体和生物体之间的接触和作用形成了多种环境微界面。这些环境微界面是物质迁移转化的重要场所,而高度时空异质性的界面特征使得对其中化学反应信息的捕捉变得极其复杂且困难。薄膜梯度扩散(DGT)技术以其原位测量元素生物有效态和高空间分辨率等优势,适用于研究化学异质性的界面过程。本文系统总结了DGT技术在环境微界面的物质运移过程研究中的应用现状,包括以下3方面内容:一是一维物质浓度测定;二是二维化学分布成像;三是与薄膜扩散平衡技术(DET)、平衡式孔隙水采样器(Peeper)和平面光极(PO)等技术联用同步获取多种溶质分布信息。现有研究证据表明,DGT适合在亚毫米(几十至几百微米)至毫米尺度研究环境微界面营养盐和污染物运移的生物地球化学过程,并可与其他化学成像技术结合研究物质跨界面运移的驱动因子和动力学特征。最后,在DGT技术发展与应用场景扩展等方面提出了几点展望。     

基于梯度扩散薄膜技术的太湖金属和营养盐区域污染特征分析

本研究利用梯度扩散薄膜技术（Diffusive gradients in thin-films,DGT）对太湖7个湖区的水体和沉积物中金属与营养盐有效态含量进行原位监测,并分析污染物的区域特征。结果表明,DGT所测有效态浓度低于传统化学方法所提取浓度,且能实现低浓度、多元素同时监测。具体来看,太湖水体中金属的DGT有效态含量较低,区域差别较小。沉积物中9种典型金属的DGT有效态含量排序为Fe>Mn>Zn>Ni>As>W>Co>Mo>Cu,其中,Fe、As、Zn、Ni和W在竺山湾、梅梁湾和贡湖污染相对较重,在湖心区、胥湖和东太湖污染相对较轻,其余金属分布较平均且含量较低。与金属不同的是,太湖水体中DGT所测的有效磷（P）含量整体较高,最高值出现在贡湖,达83.2μg·L-1。沉积物中DGT有效态P的区域分布更明显,以竺山湾、梅梁湾和沿岸区污染相对较重,最高值出现在竺山湾,达500μg·L-1。对比沉积物和水体中DGT有效态P含量发现,竺山湾、梅梁湾和沿岸区沉积物可能是P的主要储存场所,具有潜在释放风险。     

基于梯度扩散薄膜技术的太湖金属和营养盐区域污染特征分析

本研究利用梯度扩散薄膜技术(Diffusive gradients in thin-films,DGT)对太湖7个湖区的水体和沉积物中金属与营养盐有效态含量进行原位监测,并分析污染物的区域特征。结果表明,DGT所测有效态浓度低于传统化学方法所提取浓度,且能实现低浓度、多元素同时监测。具体来看,太湖水体中金属的DGT有效态含量较低,区域差别较小。沉积物中9种典型金属的DGT有效态含量排序为FeMnZnNiAsWCoMoCu,其中,Fe、As、Zn、Ni和W在竺山湾、梅梁湾和贡湖污染相对较重,在湖心区、胥湖和东太湖污染相对较轻,其余金属分布较平均且含量较低。与金属不同的是,太湖水体中DGT所测的有效磷(P)含量整体较高,最高值出现在贡湖,达83.2μg·L~(-1)。沉积物中DGT有效态P的区域分布更明显,以竺山湾、梅梁湾和沿岸区污染相对较重,最高值出现在竺山湾,达500μg·L~(-1)。对比沉积物和水体中DGT有效态P含量发现,竺山湾、梅梁湾和沿岸区沉积物可能是P的主要储存场所,具有潜在释放风险。     

典型黑色岩系分布区土壤重金属污染与生物有效性研究

风化作用条件下,黑色页岩富含的重金属元素释放到环境中,会引起土壤重金属污染。运用生态地球化学的分析手段,对发育于浙江寒武系黑色页岩地层(荷塘组)土壤的重金属污染现状、来源、分布特征及其生物有效性进行系统研究。结果表明,研究区土壤重金属Cd、As、Cu、Zn和Hg均存在超标现象,超标率分别为67.81%、7.81%、7.18%、4.68%和1.87%;而Se、Ni、Pb和Cr等未超标;对黑色页岩和土壤重金属分布特征进行分析可知,超标土壤分布区域与黑色页岩发育区域基本吻合,土壤中Cd、Cu、Se、Ni、Zn等重金属主要来源于黑色页岩风化释放;土壤重金属的生物有效性因来源不同而差异显著,其生物可利用率顺序为CdZnSeNiAsPbCuCr;Cd等元素的高生物可利用率对当地生态环境产生潜在的危险。     

梯度扩散薄膜技术(DGT)的理论及其在环境中的应用Ⅲ——植物有效性评价的理论基础与应用潜力

梯度扩散薄膜技术(DGT)是一种测定环境介质中多元素植物有效性的原位分析方法。由于其能模拟植物根系,综合考虑环境多介质的动态平衡,因此近年来被广泛应用于多元素植物有效性的评价。本文简要阐述了DGT技术基于动力学过程进行有效性测定的原理;深入剖析了DGT技术涉及的动力学过程与植物吸收机制的相似性与差异性;详细评估DGT技术预测多元素植物有效性的评价效果;并基于以上内容,对DGT技术在植物有效性方面的应用进行总结和展望。     

基于被动采样技术的砷有效性和界面过程研究:进展与展望

全球诸多区域均发现由于人类活动或者地质因素造成的砷污染问题,严重威胁区域生态安全和人体健康。对大尺度下砷风险有效控制,需要准确评价砷在不同介质间的界面行为。砷的迁移转化受到化学和微生物调控,从而在土水和根际等典型环境界面上,具有在毫微米尺度下形态变化剧烈的特点。传统的以破坏性取样加实验室分析为主的主动采样技术难以胜任对界面过程的研究。近年来,以薄膜扩散梯度(DGT)、薄膜扩散平衡(DET)、原位反复孔隙水采样(IPI)和平衡式孔隙水采样(Peeper)为代表的新兴被动采样技术在土壤环境界面过程研究中显示出了巨大优势。上述被动采样技术已用于原位检测水体或土壤间隙水中砷的总量和形态特征及其一维分布信息。其中,DGT测定的土壤中砷浓度与植物体内砷含量的相关性较好,可用于砷的植物有效性评估。利用上述被动采样器研究水-土-生界面处砷的二维时空分布特征,是近几年的一个重要趋势。DGT可用于表征砷在土-水界面和植物根际的二维亚毫米高分辨分布特征,在砷空间分布研究上具有巨大优势。而IPI可低扰动反复采样,是少数可用于砷形态动态分布研究的工具。以上研究从微观尺度阐述砷的生物地球化学行为。最后对今后的研究方向进行了展望。