砷(As)是一种象牙色的类金属，能在270℃时转变为金属样形式，被广泛应用于医学、畜牧养殖、电子和冶金等领域。早在2003年，中国地方性砷中毒分布调查协作组发现，中国受砷中毒影响人口达234万，高砷暴露人口52万;此外，智利的3个州有43万人受到砷污染的危害;石臼湖中砷的浓度超过了江苏省的土壤重金属背景值。近年来，砷污染已成为全球性问题，砷被国际癌症研究机构认定为致癌物质。环境中的砷以三价砷(As(Ⅲ))、五价砷(As(Ⅴ))和有机砷的形态存在，以As(Ⅲ)和As(Ⅴ)为主。砷形态极易受氧化还原条件、pH值、Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)、有机物、悬浮颗粒和微生物活动等环境因素的影响。形态不同的As所产生的生态效应也不同，As(Ⅲ)的毒性是As(V)的60倍，是甲基砷的70倍。As(Ⅲ)和As(Ⅴ)易被地表广泛存在的铁、锰化合物吸附聚集，污染土壤和沉积物，目前我国沿海区域沉积物中As的平均质量分数已接近10 mg/kg。As(Ⅲ)比较活跃，沉积物间隙水中的As(Ⅲ)可释放进入上覆水中，而进入水环境的As污染物可通过食物链最终影响人体健康。


沉积物-水界面中的As去除效果取决于复杂的物理、化学和生物作用，影响因素众多，作用机制复杂，一直是重金属内源污染研究和治理的难点。砷污染是可治理的，如淮河干流中的砷就得到了控制。目前砷去除方法有生物炭吸附、离子交换、植物修复、膜技术和沉淀絮凝等。生物炭/铁酸锰能对Zn2+和Cu2+两种重金属离子起到较好的吸附效果，铁锰可能在砷的吸附上也会有较好的效果。崔晓倩等发现莱茵衣藻能够影响自由金属离子的溶出;刘爱荣等指出，纳米零价铁可以有效去除废水中的砷。砷还可以通过植物光合作用和呼吸作用调节次级代谢产物，五价砷酸盐与磷酸盐有相似的化学性质，能共用高等植物中的转运蛋白被植物一同吸收，有些耐砷植物可通过改变转运蛋白的表达来控制砷的吸收。陈同斌等率先在中国境内找到并发现了蜈蚣草对砷的高富集性;Kumar等证实了胭脂树叶生物吸附剂能够去除水中的As;陈国粱通过培养试验对比研究了苦草、狐尾藻、黑藻、菹草、金鱼藻等沉水植物对沉积物砷的富集能力，发现苦草的富集能力最强。一般而言，水生植物对水环境中重金属去除效果的顺序为:沉水植物大于漂浮植物、浮叶植物大于挺水植物。可见，植物的同化吸收作用可以从土壤和沉积物中移除As。研究植物对沉积物中砷的去除对人体健康和生态安全具有重要意义。本文以富营养化底泥和常见沉水植物苦草为研究对象，基于微电极分析技术和高分辨率扩散平衡式间隙水采集(HR-Peeper)技术，从微尺度精准评估苦草对沉积物-水界面中As形态的影响。


1材料与方法


1.1研究区域概况


本文所用水样和沉积物样品均采集于太湖梅梁湾。梅梁湾位于太湖北部区域，面积约123km2，多年平均水深介于1.8～2.3 m之间。近年梅梁湾长期存在水体富营养化及与富营养化相关的问题。


1.2室内试验设计与试验材料


底泥样品用重力取样器(直径9cm、长50cm)采集在同一地点柱芯深度25cm左右的柱状样。湖水用5L采水器采集，并暂存于25L塑料桶中。样品采集完成后尽快运至实验室。随后，将沉积柱每2cm切割，并将相同的沉积层放在一起搅拌混匀。然后，使用100目的筛网从沉积物中去除大颗粒和大型底栖动物。根据原深度回填规则混匀过筛后的底泥，将8层(约16cm)的底泥装入6根有机玻璃管(内径9cm、长度30cm)。向每个沉积柱中注入过滤后的湖水，确保上覆水的深度在10cm左右。最后，将所有沉积柱放入水箱中(长70cm、宽50cm、高65cm)培养2周。


过滤后的湖水水质指标如下:湖水As质量浓度为1.22μg/L，TOC、TN、TP、磷酸根分别为7.43mg/L，0.93mg/L，0.04mg/L，0.02mg/L，pH值为7.57。用离心法得到过筛混匀后分层底泥的间隙水，测定间隙水中溶解态As、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的质量浓度(表1)。

表1过筛混匀后的间隙水中溶解态As、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)质量浓度


稳定两周后，取出沉积柱，在其中3根沉积柱中种植苦草，作为苦草组，苦草的种植密度为157.2株/m2;剩余3根不处理，作为对照组。分别将苦草组和对照组置于2个水箱中淹没培养，并用LED灯补充光照，在前15d对两个水箱进行曝气，以确保苦草的成活率，15d后取消曝气。


1.3样品采取和分析


对苦草的生长初期，快速生长期以及稳定生长期内沉积物变化进行观察，分别在第15天、第35天、第66天进行取样观测。在每个采样时间点，先用ph微电极(OXO-50，Unisense，丹麦)测量苦草组和对照组沉积物-水界面中的pH值和DO浓度。然后，投入HP-Peeper装置(购自南京智感环境科技有限公司)，平衡时间为48 h。移除HR-Peeper装置后，从每个HR-Peeper小室收集大约400 uL的水样，用邻菲咯啉比色法在多功能酶标仪(M2e，Molecular Devices，美国)上测定可溶性Fe(Ⅱ)。取一定量样品添加3%HNO3酸化后，用ICP-MS(NEXION350 X，PerkinElmer，美国)测量溶解态As和溶解态Mn的质量浓度。本试验中所用的化学试剂均为分析纯。


1.4数据分析


采用SPSS 25.0软件(US SPSS)和Excel 2013进行统计分析，图形均用Origin 2019软件绘制。