天然水体是受重金属污染的主要生态系统之一,受重金属污染的水体沉积物被喻为“化学定时炸弹”,沉积物是水环境重金属污染的指示剂。流域的经济开发是当今发展的趋势,环境问题已成为“自然-经济-社会”这一复合生态系统能否持续发展的关键。城市化和工业化进程加剧了人类生存环境的危机,几乎所有的河流、湖泊和海洋都遭受了不同程度的污染,世界各国均把重金属列为水质监测和评价的重要指标。包头市是黄河流域沿岸典型的重工业城市,在城市工业废水对黄河水体重金属污染方面具有典型性和代表性。已有的研究表明,形态分析是生物可给性的基础,也是判识沉积物中重金属污染潜在危害的前提。自然水体是一个含有多种离子的复杂体系,开展符合自然水体实际情况的多离子共存体系中重金属在天然沉积物上竞争吸附动力学和竞争吸附对重金属形态转化影响的研究对揭示水体重金属污染的机理更具实际意义。采用微生态系统暴露实验和AVS法,结合孔隙水中重金属浓度,综合判断黄河水体重金属的生物有效性则有助于研究问题的系统解决。从黄河水体重金属污染的机理和效应着手,探讨重金属在黄河水体中的迁移转化规律,揭示黄河沉积物重金属形态分布与生物有效性及毒性的关系,预测黄河沉积物中重金属的生物有效性和毒性,判识黄河沉积物中重金属污染的潜在危害,不仅可为黄河包头段水体重金属的污染防治提供对策和科学依据,同时也可为保护黄河水质和城市工业废水对河流重金属污染的研究提供借鉴。本研究以环境地球化学、生物地球化学、污染生态学及现代沉积学的理论和方法为指导,以重金属的地球化学特性及其生物有效性为主线,分别于2004年和2005年按枯、丰、平3个水期系统采集了黄河包头段干支流等9个断面的上覆水、孔隙水、悬浮物及沉积物柱芯等样品,捕获了黄河包头段天然鱼样品,共获得17287个实验测试数据。深入探讨了符合黄河实际的多离子体系中重金属的竞争吸附及其迁移转化机制、水体重金属的污染特征、重金属在水-沉积物.鱼微生态系统中的响应关系以及野生经济鱼类重金属的富集规律。首次开展了承纳大量城市工业废水的黄河包头段鱼微生态系统暴露实验研究,为重金属生物有效性、生物地球化学循环及生态风险评价积累了大量基础数据。此外,鉴于南海湖与黄河的沉积同源性和继承性,开展了南海湖水体沉积物中重金属的环境地球化学特征研究。本研究取得如下主要成果和进展。1.首次开展了黄河包头段鱼微生态系统暴露实验,判识了水-沉积物系统与鱼体中重金属的响应关系,构建了可判识水环境中重金属形态与鱼组织器官中有毒金属关系的回归模型,为重金属污染的生物监测提供了新的可供借鉴的有效方法。2.首次综合评价了黄河包头段9种经济鱼类的综合污染程度,得出了青鳞子＞鲫鱼＞花鱼骨＞团头鲂＞棒花鱼＞黄河鲤＞赤眼鳟＞鲈塘鳢＞蛇鮈的重金属污染程度序列。创新了鱼体沉积物分形态富集系数概念,拓展了污染物生物富集机理研究的思路。3.发现了枯水期黄河沉积物为重金属的汇,丰水期为源的特异性规律。采用沉积物重金属质量基准,判识了黄河沉积物的潜在风险性。研究揭示,包头市工业废水排放对黄河干流水体重金属的污染迭加有重要贡献。4.实验得出了Pb²⁺＞Cu²⁺＞＞Zn²⁺＞Cd²⁺的竞争吸附序列以及Cd＞Zn＞＞Cu＞Pb的释放能力序列。该项研究成果对揭示水-沉积物系统中重金属的迁移转化机制具有重要意义。5.研究证实,南海湖与黄河具有明显的沉积同源性和继承性。表层沉积物间隙水中Cu和Cd,特别是Cu有从间隙水向上覆水扩散迁移的显著特性。沉积物间隙水在重金属由沉积物向上覆水迁移过程中起重要的桥梁通道作用。与一般淡水湖泊不同,南海湖沉积物中AVS的垂向分布出现极大值下移及多个极大值现象。AVS是控制南海湖水体中重金属沉淀的关键因子,有机络合剂是促进Cu向水相扩散迁移的主导因子。6.引入了重金属形态分布的空间效应的概念,利用空间效应理论较好地阐释了南海湖水质Cu污染及不同水期黄河沉积物重金属源/汇功能转化的机制。