DGT和HR-Peeper联用案例：评估热变对沉积物中铁磷迁移影响

本期分享一篇河海大学Robert BofahBuoh团队在《Environmental Science and Pollution Research》发表的一篇学术论文：Assessing the influence of thermal structure variation on Fe and P mobility in sediments cores using Yellow Spring Instrument, diffusive gradient technology, and HR Peeper for sustainable water quality management。

淡水生态特征，如热分层的日常库存、水中氧分布的空间变化，以及水-沉积物界面（WSI）潜在有毒元素（PTEs）的迁移，是水质管理协议中用于淡水评估的重要指标。本研究在受季风影响的区域内进行日常观测，利用高分辨率技术，如HR Peeper（高分辨孔隙水采样装置）、Yellow Spring Instrument (YSI) 和 ZrO-Chelex 薄膜扩散梯度技术（DGT），在不同温度和氧条件下分析水-沉积物界面（WSI）中的特定PTEs，即磷（P）和铁（Fe）。这项为期66天的现场研究表明，高热结构显著促进了沉积物中Fe离子和P的产生，这是在FeOOH的还原溶解下进行的。研究还揭示了P和Fe在WSI显示出可比较的空间分布模式，表明这些PTEs之间存在联系。这种相关性通过皮尔逊相关系数得到加强，范围从0.7到0.9（双侧，p < 0.05），表明游离P的浓度主要受结合在铁上的磷的释放影响。PTEs的通量为正值，Fe的范围是3.3–81.5 mg/m2/天，P的范围是0.03–0.5 mg/m2/天，表明沉积物将PTEs释放到底层水中。同样，在分层度高（缺氧条件）时获得PTEs的高正通量（Fe≈60 mg/m2/天，P≈0.5 mg/m²/天），在分层不存在时低（Fe≈5 mg/m2/天，P≈0.08 mg/m2天）。这描绘了Fe/P动态主要取决于底层水在FeOOH还原溶解下的缺氧条件。研究结果表明，有机物（固态和溶解态）与Fe的相关性显著（>0.7，正值高），这表明它们的相互作用导致了水库水质量的恶化。然而，Ca²⁺和Mg²⁺对沉积物中Fe-DOC-P的释放影响很小，因为它们无法与Fe竞争与DOC和P的结合，如它们的低相关值所示。该研究提供了PTEs日常时间尺度上的动态深入见解，并为内陆水库的水资源管理实践提供了有价值信息，特别是关于磷（P）的循环及其对生态系统健康的影响。

在本研究中，HRP和DGT为我们提供了宝贵的微观视角，观察Fe-P-DOC的行为以及热分层如何影响这一机制。在TIR系统中，显著的热分层导致底层区域的氧气水平显著降低，从而导致底层水中Fe和P的浓度升高。相反，由于热分层弱化导致的WSI处的高氧气含量，对沉积物中Fe/P的渗出产生了抑制作用。这种相互作用（Fe-P-DOC）导致水系统中黑色物质的显著产生。研究还表明，如Ca²⁺和Mg²⁺这样的元素对沉积物中Fe-P-DOC的行为影响很小，这一点从这些元素与Fe/P之间的低相关性明显看出。铁由于存在多种氧化态（Fe²⁺和Fe³⁺），能够参与氧化还原反应，并能够与各种配体的有机物质和磷酸盐形成强复合物，而Ca²⁺和Mg²⁺是氧化还原非活性离子，因此在氧化还原敏感环境中限制了它们与Fe在结合磷酸盐和有机物质方面的反应性和竞争性。在我们的研究中，有机物质与Fe/P显著相关（正值高）。Fe与DOC之间也存在强相关性（> 0.7）。关于沉积物的化学和物理性质，Fe和P的分布模式是同步的，这一点得到了高记录相关值（0.7-0.9）的支持。当分层高（缺氧条件）时，Fe/P的高正通量很低，当分层不存在时通量低。这描绘了Fe/P动态主要取决于底层水的缺氧条件。当前研究为TIR中Fe-P-DOC的日常相互作用提供了宝贵的见解，这些见解可以应用于其他经历类似气候和环境条件的内陆水系统。这些知识可以帮助全球水系统的可持续管理。