海洋所在沉積物-海水界面砷釋放作用機(jī)制方面研究取得新進(jìn)展
近日,中國科學(xué)院海洋研究所宋金明研究團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)長期缺氧導(dǎo)致沉積物-水界面(SWI)砷(As)的額外釋放會(huì)帶來巨大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),該研究為評(píng)估近岸缺氧水域沉積物中As及其它元素循環(huán)過程提供了科學(xué)基礎(chǔ),相關(guān)成果以“Hypoxia exacerbates the marine ecological risk of arsenic: by stimulating its migration and release at the sediment-water interface”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊(Nature Index)《Water Research》(IF=11.5)上。該研究是其團(tuán)隊(duì)在2023年發(fā)表于《Water Research》關(guān)于海洋藻華在沉積物-海水界面砷釋放作用機(jī)制研究的系列成果。
近年來,由于富營養(yǎng)化和水體分層加劇,中國近海的缺氧趨勢(shì)日益顯著。這種缺氧狀況對(duì)沉積As的釋放及生物可利用性產(chǎn)生了極為顯著的影響。然而,在缺氧加劇的進(jìn)程里,As遷移的具體路徑與相伴而生的風(fēng)險(xiǎn)依舊撲朔迷離。
宋金明研究團(tuán)隊(duì)基于長江口過去40年的溶解氧(DO)變化開展模擬實(shí)驗(yàn),探析了不同時(shí)期DO轉(zhuǎn)折點(diǎn)SWI上As遷移的內(nèi)在機(jī)制及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),評(píng)估了過去40年長江口低氧條件下沉積物As的釋放通量。研究結(jié)果表明,缺氧迅速觸發(fā)了As(V)與As(III)的釋放進(jìn)程,且As(III)的釋放速率高于As (V),從而增強(qiáng)了海水中As的毒性。SWI溶解總砷(dTAs)釋放量及速率與DO的降低呈正相關(guān)(圖1)。盡管在所有實(shí)驗(yàn)組中,固相不穩(wěn)定As主要以As(V)形態(tài)存在,但在表層和深層間隙水中,As(V)和As(III)分別占主導(dǎo)地位,同時(shí)低DO組中可還原態(tài)固相As含量遞減,As(V)還原功能基因arrA的豐度顯著增加,這表明缺氧環(huán)境促進(jìn)了含As (V)的Fe/Mn氧化物還原溶解,強(qiáng)化了As在表層沉積物與上覆水間的交換;而通過優(yōu)先驅(qū)動(dòng)As(V)還原加劇深層沉積物向間隙水釋放As。盡管As向上覆水的擴(kuò)散與溶解Fe相似,但由于As(V)還原菌的參與及Mn氧化物的解吸作用,兩者之間存在解耦現(xiàn)象。培養(yǎng)結(jié)束后,上覆水中的dTAs濃度達(dá)到清潔沿海水域的6倍之多,已觸及影響微藻解毒機(jī)制的濃度閾值。經(jīng)估算,長江口缺氧期間約有34噸沉積物As釋放入上覆水,占表層沉積物砷的17.3%(圖2)。這一研究不僅填補(bǔ)了長江口缺氧區(qū)As循環(huán)機(jī)制及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究空白,也為評(píng)估全球缺氧海域沉積物中有毒元素的釋放及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供了新的思路。

圖1 不同溶解氧(DO)條件下上覆水中dTAs及其形態(tài)濃度的增加速率

圖2 缺氧驅(qū)動(dòng)沉積物As的潛在釋放機(jī)制和釋放通量示意圖
論文第一作者為段麗琴研究員,研究得到了國家自然科學(xué)基金、泰山青年專家、山東省基金等項(xiàng)目支持。??
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Liqin Duan,Jinming Song,Meiling Yin,Xiaoqi Liu,Xue Liu,Xuegang Li,Huamao Yuan,2025. Hypoxia exacerbate the marine ecological risk of arsenic: by stimulating its migration and release at the sediment-water interface. Water Research 268,122603.
(https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122603)
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