CN113156016B - 一种沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用 - Google Patents

一种沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用，所述评价方法包括以下步骤：(1)预培养；(2)加入(NH4)2SO4和NaNO3溶液、培养、加入终止剂终止培养；(3)抽取容器中部分气体转移至抽真空的新瓶中、向新容器中加入惰性气体、气相检测，根据检测结果计算沉积物中N2O浓度和沉积物中N2O生成潜势，判断沉积物中重金属污染程度。本发明提供的评价方法准确直接，步骤简便，灵敏度高。

Description

一种沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用
技术领域
本发明属于河流生态修复领域，具体涉及一种沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用，尤其涉及一种灵敏度高的沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用。
背景技术
重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点，危害大、治理成本高，由于其生物富集和放大效应，目前已成为严重的全球性问题。选择适宜的重金属污染诊断指标，对土壤质量进行预警，防止土壤质量恶化是必要的。一般情况下，通过强酸消解直接测定土壤中重金属元素的总含量对沉积物重金属污染程度进行评价。但由于重金属会与有机物、铁锰氧化物等发生络合和螯合反应，所测定重金属总浓度往往不能准确反应土壤实际受重金属污染的程度，也无法反应重金属对生物的毒性效应。因此，选择高效、准确的指标对土壤重金属污染质量进行分析和诊断，从而实现早期预警，采取措施防止土壤继续退化和分析土壤修复效率，具有重要意义。
CN110295220A公开了一种红树林湿地沉积物健康状况的微生物指标评估方法，其包括：红树林湿地现状调查；确定指示微生物；选定理想参照点；建立红树林沉积物样品采集方法，明确微生物分析方法，包括样品DNA提取方法、PCR扩增方法和克隆文库构建方法；选定指示微生物指标评价因子，以指示微生物基因拷贝数、多样性指数和优势菌群占比作为评价因子；确定微生物指标评价因子的权重Wi；计算微生物指标评价因子的评价比值Ii；计算评价指标P，划分评价等级，根据评价等级对红树林湿地沉积物健康状况进行评估。该方法可准确有效地评估野外条件下红树林湿地沉积物的健康状况，适用范围广。
CN109308577A公开了一种沉积物重金属环境质量评价方法，收集沉积物的基础数据，包括沉积物重金属区域地球化学背景值和沉积物理化性质资料，具体有沉积物重金属含量、沉积物氧化铝含量、沉积物有机物质含量、沉积物中值粒径；通过三角模糊数和α截集，处理沉积物重金属含量和沉积物重金属区域地球化学背景值；计算沉积物重金属的富集指数，进行相关性分析，判断沉积物重金属来源；计算地累积指数，并基于隶属度计算，判断沉积物重金属污染水平；计算单因子污染指数，核算潜在生态危害指数，再基于隶属度计算，评价沉积物重金属生态风险。该发明克服了数据选取及评价结果不确定性的缺陷，合理评价沉积物重金属环境质量，为环境质量管理提供有效技术支持。
但由于重金属会与有机物、铁锰氧化物等发生络合和螯合反应使得检测结果出现偏差。因此，如何提供一种准确、灵敏度高的沉积物重金属检测方法，成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用，尤其提供一种灵敏度高的沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用。本发明提供的评价方法准确直接，步骤简便，灵敏度高。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种沉积物重金属污染程度的评价方法，所述评价方法包括以下步骤：
(1)将沉积物与水混合置于若干个相同的容器中，在无氧环境下预培养，不同容器中沉积物与水质量均一致；
(2)预培养结束后，向每个容器中加入(NH4)2SO4和NaNO3，并设置一系列不同培养时间的组，将所有容器归于不同培养时间的组中，令每个培养时间的组至少含有一个容器，之后培养，当培养时间到达组设置的培养时间时，向该组的容器中加入终止剂终止培养；
(3)向培养结束的容器中通入惰性气体置换部分沉积物，平压后将容器摇晃，之后抽取容器中部分气体转移至抽真空的新容器中，并向新容器中加入惰性气体，之后将新容器中的气体进行气相检测，根据检测结果计算沉积物中N2O浓度和沉积物中N2O生成潜势，判断沉积物中重金属污染程度。
微生物作为生态系统中与重金属直接接触的角色，其代谢活动和物种组成对重金属胁迫具有高灵敏性，能更准确地反应土壤中重金属的实际污染状况。反硝化作用作为土壤最重要的功能之一，其对重金属胁迫非常敏感。N2O生成作为土壤反硝化作用的关键步骤，N2O生成由多种微生物参与并受到多种酶的控制，这些微生物和酶对重金属胁迫具有高敏感性。因此，N2O生成潜势能作为一项评价沉积物重金属污染的有效指标。
本发明提供的评价方法通过设置厌氧条件还原沉积物反硝化过程，并利用气相色谱仪测定N2O生成量，通过计算得出N2O生成潜势，并据此评价沉积物重金属污染程度，避免了传统评价方法测定总重金属浓度步骤繁琐、危险性较高且取法准确反映重金属污染对生物的胁迫效应的缺陷；同时基于河流沉积物微生物群落功能，具有高灵敏性；并且不仅能够识别河流沉积物重金属污染程度，而且能够识别重金属污染对于河流生态功能的影响。
优选地，步骤(1)所述若干个至少为6个。
优选地，步骤(1)所述预培养的时间为24-120h。
优选地，步骤(2)所述向每个容器中加入(NH4)2SO4和NaNO3后容器中NH4 +的浓度为90-110μM。
优选地，步骤(2)所述向每个容器中加入(NH4)2SO4和NaNO3后容器中NO3 -的浓度为90-110μM。
优选地，步骤(2)所述终止剂包括ZnCl2。
优选地，步骤(2)所述终止剂的浓度为6-8μM。
优选地，步骤(2)所述终止剂的加入量为容器容积的1-2％。
优选地，步骤(3)所述摇晃的速率为90-110r/min，时间为0.8-1.2h。
优选地，步骤(3)所述新容器中被抽取的容器中气体与惰性气体的体积比为1:8-1:10。
优选地，所述惰性气体包括氩气、氦气或氮气中任意一种。
其中，若干个可以是6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或16个等，预培养的时间可以是24h、30h、40h、50h、60h、70h、80h、90h、100h、110h或120h等，NH4 +的浓度可以是90μM、95μM、100μM、105μM或110μM等，NO3 -的浓度可以是90μM、95μM、100μM、105μM或110μM等，终止剂的浓度可以是6μM、6.5μM、7μM、7.5μM或8μM等，终止剂的加入量可以是容器容积1％、1.5％或2％等，摇晃的速率可以是90r/min、95r/min、100r/min、105r/min或110r/min等，时间可以是0.8h、0.9h、1h、1.1h或1.2h等，被抽取的容器中气体与惰性气体的体积比可以是1:8、1:9或1:10等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述容器包括顶空瓶、血清瓶或样品瓶中任意一种。
另一方面，本发明还提供了如上所述的沉积物重金属污染程度的评价方法在评价河流沉积物重金属污染程度中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种沉积物重金属污染程度的评价方法，通过设置厌氧条件还原沉积物反硝化过程，并利用气相色谱仪测定N2O生成量，通过计算得出N2O生成潜势，并据此评价沉积物重金属污染程度，避免了传统评价方法测定总重金属浓度步骤繁琐、危险性较高且取法准确反映重金属污染对生物的胁迫效应的缺陷；同时基于河流沉积物微生物群落功能，具有高灵敏性；并且不仅能够识别河流沉积物重金属污染程度，而且能够识别重金属污染对于河流生态功能的影响。
附图说明
图1是实施例1中人类聚集区和远郊区的沉积物N2O生成潜势差异图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
采样：
选取湘江流域14个样点，分别记为HY1、HY2、HY3、HY4、HY5、HY6、HY7、ZZ1、ZZ2、XT1、CS1、CS2、CS3、CS4，并将其分为远郊区组(HY1、HY4、HY5、ZZ2、XT1、CS1、CS2、CS4)和人类聚居区组(HY2、HY3、HY6、HY7、ZZ1、CS3)，于上述地点河流离岸5米处各取河底沉积物1kg，之后4℃保存。上述样点具体位置如下：
Figure BDA0003039439630000051
Figure BDA0003039439630000061
预培养：取150g沉积物样品和超纯水按照1:1的质量比混合成泥浆并搅拌均匀，称取6.8g泥浆混合物到12mL Labco(Exetainer,Labco,UK)顶空瓶中并加入1颗小玻璃珠，每个样点称取16个顶空瓶。使用定制厌氧装置对Labco顶空瓶进行反复抽充氩气去除瓶中空气，首先抽气直到泥浆混合物中无明显气泡跑出，然后再交替进行1min抽气和充气，反复操作5次，保证管内厌氧。抽充气完成后，向Labco顶空瓶中泵入预先经高纯氩气曝气30min的超纯水，直到加满。之后开盖补水直到Labco瓶完全加满。用锡箔纸包裹装有泥浆混合物的Labco顶空瓶，然后将其放置在旋转培养仪上(QB228,Kylin-Bell)在20℃下进行预培养，预培养24h。
N2O浓度测定：预培养结束后取16个Labco顶空瓶加入(NH4)2SO4和NaNO3溶液(最终添加的NH4 +和NO3 -浓度均为100μM)，分为六组培养，每组个数分别为2、2、3、3、3、3，培养时间分别为0、3、6、9、12、24h，到达培养时间时加入200μL终止剂(7M ZnCl2)终止反应。加药时需同时额外同时插上液封的取样器，以排出顶空瓶内多余的液体。培养结束后，通入高纯Ar气置换Labco顶空瓶中的泥浆混合物以获得6mL顶空气体空间，平压后将Labco顶空瓶置于旋转培养仪上100r/min摇晃1h，使顶空瓶内气液相中的N2O达到平衡，然后用针式取样器抽取约2mL顶空瓶内气体转移至新的已抽真空的Labco顶空瓶中，再加入18mL高纯Ar气。Labco瓶中的N2O采用自动进样技术使用气相色谱仪(Gas Chromatograph，安捷伦7890A，美国，Porapak Q填充柱)进行检测。依据CO2、N2O、CH4三种标准气体的浓度和响应面积，计算样品中N2O的浓度，检测限为0.1ppb。
沉积物N2O生成潜势计算：依照如下公式进行河流沉积物N2O生成潜势的计算：
Figure BDA0003039439630000071
其中：R：N2O生成速率，nmol/(kg·h)；Nf：T时样品中可溶的N2O总量，mL；Ni：T为0时样品中可溶的N2O总量，mL；V：小瓶体积，mL；T：培养时间，h。
对上述14个样点采集到的河底沉积物进行上述测试，结果如下
Figure BDA0003039439630000072
之后计算不同区域河流沉积物N2O生成潜势是否存在显著差异，结果如图1所示。
从图1和上表可以看出，人类聚集区和远郊区的样点，其沉积物N2O生成潜势存在显著差异(p<0.05)，远郊区样点沉积物N2O生成潜势更高，说明其微生物群落受重金属胁迫更低，可得湘江人类聚集区河段沉积物重金属污染程度高于远郊区河段。
以上结果显示本发明提供的评价方法能够准确显示沉积物重金属污染程度，而且能够识别重金属污染对于河流生态功能的影响；基于河流沉积物微生物群落功能，具有高灵敏性和高准确性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的沉积物重金属污染程度的评价方法及其应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (11)

1.一种沉积物重金属污染程度的评价方法在评价河流沉积物重金属污染程度中的应用，其特征在于，所述评价方法包括以下步骤：
(1)将沉积物与水混合置于若干个相同的容器中，在无氧环境下预培养，不同容器中沉积物与水质量均一致；
(2)预培养结束后，向每个容器中加入(NH4)2SO4和NaNO3，并设置一系列不同培养时间的组，将所有容器归于不同培养时间的组中，令每个培养时间的组至少含有一个容器，之后培养，当培养时间到达组设置的培养时间时，向该组的容器中加入终止剂终止培养；
(3)向培养结束的容器中通入惰性气体置换部分沉积物，平压后将容器摇晃，之后抽取容器中部分气体转移至抽真空的新容器中，并向新容器中加入惰性气体，之后将新容器中的气体进行气相检测，根据检测结果计算沉积物中N2O浓度和沉积物中N2O生成潜势，判断沉积物中重金属污染程度；
步骤(1)所述若干个至少为6个。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(1)所述预培养的时间为24-120h。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(2)所述向每个容器中加入(NH4)2SO4和NaNO3后容器中NH4 +的浓度为90-110μM。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(2)所述向每个容器中加入(NH4)2SO4和NaNO3后容器中NO3 -的浓度为90-110μM。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(2)所述终止剂包括ZnCl2。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(2)所述终止剂的浓度为6-8μM。
7.根据权利要求1所述的应用，步骤(2)所述终止剂的加入量为容器容积的1-2％。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(3)所述摇晃的速率为90-110r/min，时间为0.8-1.2h。
9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤(3)所述新容器中被抽取的容器中气体与惰性气体的体积比为1:8-1:10。
10.根据权利要求1所述的应用，所述惰性气体包括氩气、氦气或氮气中任意一种。
11.根据权利要求1所述的应用，所述容器包括顶空瓶、血清瓶或样品瓶中任意一种。
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