沉积物/土壤吸附PAHs的行为对SOM溶出的响应及其机理

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多环芳烃(PAHs)是一类具有强致癌、致畸、致突变作用的有毒有机物,吸附/解吸是影响其在土水环境中迁移和转化的关键过程。众多研究指出,沉积物/土壤的有机质(SOM)对PAHs的吸附行为具有决定性作用,同时还发现,SOM普遍存在溶出,并于水溶液中形成具有增溶作用的内源性溶解有机质(DOM),很可能影响PAHs的吸附/解吸行为。鉴于PAHs的DO M结合态和游离态的生物可利用性之间存在差异,DO M的形成及其增溶作用更加值得重视。目前,关于沉积物/土壤SOM的溶出对PAHs吸附行为影响的研究尚少见,关于SOM溶出行为特性的研究也存在不足。本文以国家自然科学基金项目(No.40872164)为依托,开展“沉积物/土壤吸附PAHs的行为对SOM溶出的响应及其机理”研究。  以渭河咸阳段陈杨寨处河床沉积物、西北工业大学长安校区莲花池土壤分别为无耕种、种植环境下的吸附介质典型,将沉积物/土壤预处理为三组:原样(S1)、SOM预溶出平衡后保留或弃去上层DOM溶液的样品(分别为S2a、S2b)。通过对沉积物/土壤洗脱处理而获得的DOM进行红外、核磁、荧光等手段表征,考察SOM及其各组分溶出行为规律。以菲、芘、萘为PAHs典型,利用批量实验法,采用NaCl(0-5850mg·L-1)调节SOM溶出行为,研究PAHs吸附行为对SOM溶出的响应及其机理,并尝试定量该响应形成过程中DOM增溶作用的贡献;进一步探讨该响应形成过程中沉积物/土壤SOM的腐殖化程度和PAHs疏水性的作用及其机理;验证DO M增溶作用在PA Hs吸附动力学特点形成过程中的关键性。取得如下主要结论与认识:  1.沉积物/土壤SOM的溶出过程是有序的,即小分子亲水组分通常优先于大分子疏水组分(如,芳香碳和脂肪碳等)释放,分别对应于SOM溶出动力学过程的快速和慢速溶出两个阶段,以致于DO M的分子量、非极性和脂肪性随洗脱时间的增大而不断增大,DOM对PAHs的增溶作用在增强。  2.研究的沉积物-水体系中,SOM的溶出行为对沉积物吸附菲的动力学特征和吸附容量影响显著。与S2a和S2b不同,S1吸附菲的动力学过程由吸附量快速上升、下降、回升并趋于平衡所组成(动力学曲线形成“凹陷”,称之为“吸附低谷”),源于S1体系中存在着明显的SOM溶出行为并伴随DOM的增溶作用。基于S1吸附菲的动力学特点和SOM溶出行为特点的对比分析,吸附动力学过程呈现三阶段变化的主要机理可能为:①虽然SOM快速溶出,但DOM浓度低且以小分子亲水组分为主,以致增溶作用有限,菲的吸附以在橡胶态SOM中的分配作用为主导,继而形成(<2h)快速吸附阶段;②SOM中释放的芳香碳和脂肪碳等大分子疏水组分,可作为菲解吸的载体,同时显著增强DO M增溶作用,以致于解吸行为占优,进而出现(2h-8h)伪吸附阶段;③随着SOM溶出而暴露的新吸附位,以及菲分子在沉积物颗粒内部的孔隙填充,共同导致(>8h)慢速吸附趋于平衡阶段的形成。即,沉积物吸附菲动力学特点的形成,是由SOM的溶出行为特性(溶出量、溶出速率、尤其是溶出有序性等)决定的。基于一级动力学模型建立的方程,能很好地分段描述此动力学过程(R2>0.784),并定量验证了上述关于动力学特点形成机理的合理性。  SOM的溶出行为,通过DOM增溶作用对菲溶解度的影响,及沉积物SOM含量等理化特性的改变,降低了菲的吸附容量。它们二者在抑制作用中的相对贡献分别为0.67和0.33。沉积物DOM对菲的分配系数Kdoc为2.10×104-4.18×104L·kg-1,增溶作用的阈值浓度为6.83mg·L-1。  3.土壤SOM的溶出行为也导致菲的吸附动力学过程呈现三个阶段:(<4h)快速吸附阶段、(4 h-16h)伪吸附阶段、(>16 h)慢速吸附趋于平衡阶段,出现“吸附低谷”。土壤吸附菲的动力学特点,仍然由SOM的溶出行为特性所决定。基于一级动力学模型建立的方程依然适用(R2>0.898),并验证了关于动力学特点形成机理的合理性。SOM的溶出行为也降低了土壤对菲的吸附容量,由DO M增溶作用和土壤理化特性的改变共同导致,二者的相对贡献分别为0.78、0.22。土壤 DOM对菲的分配系数Kdoc为2.02×104-3.63×104L·kg-1,增溶作用的阈值浓度为5.66mg·L-1。与沉积物相比,土壤SOM的腐殖化程度较低,以致DOM对菲的分配系数减小,但SOM组分的大量溶出能显著提高DOM的浓度,致使增溶作用对SOM溶出抑制菲吸附的相对贡献增大。这预示着,土壤-植物-水形成的种植环境中,菲的迁移性更强,对水生动植物的生态暴露风险更高。  4.比较菲、芘在沉积物上吸附行为对SOM溶出的响应特点,探索PAHs疏水性在其吸附行为响应过程中的作用及其机理。S1吸附芘的动力学过程总体与菲的相似,也存在(<2h)快速吸附、(2h-8h)伪吸附、(>8 h)慢速吸附趋于平衡三个阶段,存在“吸附低谷”,但芘的“吸附低谷”比菲的更深、更明显,表明沉积物吸附 PAHs的动力学特点,不仅与沉积物理化特性有关,还与PAHs自身性质有关。随着PAHs疏水性的增强,芘与DOM的结合能力更强,其Kdoc值为5.38×104-6.85×104 L·kg-1,且DOM增溶作用的阈值浓度更低(5.91mg·L-1)。基于一级动力学模型建立的方程,也能很好地分段描述沉积物吸附芘的动力学过程(R2>0.883),并验证了关于芘吸附动力学特点形成机理的合理性。SOM的溶出同时降低了沉积物对芘的吸附容量,其中DOM增溶作用、沉积物理化特性的改变等两者的相对贡献,分别为0.66、0.34,与菲的非常接近,即相对贡献主要由沉积物性质所决定,与PAHs疏水性关系不大。然而,从绝对值角度,沉积物SOM的溶出对芘吸附容量的降低程度明显高于菲的,显示SOM溶出对吸附行为的影响随PAHs疏水性的增强而扩大,土水体系中芘具有比菲更强的迁移性和生态暴露风险性。  5.通过增大PAHs初始浓度、降低PAHs疏水性和介入表面活性剂SDBS等三个途径,均可使吸附动力学过程中不出现“吸附低谷”,进一步确认了DO M增溶作用在沉积物/土壤吸附PAHs动力学特点形成过程中的关键性。DO M对PA Hs增溶作用的阈值浓度,与沉积物/土壤的理化性质、PAHs自身特性(初始浓度、疏水性等)和水环境条件(无机盐、表面活性剂等)密切相关。土水体系中DO M的浓度大于阈值浓度,是PAHs在沉积物/土壤上动力学过程“吸附低谷”出现的必要条件之一。因此,SOM的溶出行为伴随着DO M的增溶作用,因受到多种因素影响,而可能不足以使PAHs的吸附行为作出响应。尽管如此,环境因素多变,土水体系中SOM的溶出行为仍随时可能影响PAHs的迁移性和生物可利用性等,相关研究值得重视。
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