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突破传统监测局限!薄膜扩散梯度技术(DGT)为水环境治理提供关键数据支撑

更新时间:2025-09-01   点击次数:19次

在湖泊、河流、土壤乃至根际微区这些环境中,重金属、抗生素、汞等污染物常常会悄无声息地“挪窝"。它们的迁移方式多样,有时会向下穿透沉积物,有时会沿着植物根系进入食物链,还可能在水与土的界面之间反复交换。这种看不见、摸不着的“隐形迁移",用传统监测方法很难准确捕捉——传统方法不仅在采样过程中对环境的扰动较大,监测分辨率也低,而且只能获取到污染物的“静态浓度",无法得到反映其动态迁移过程的“动态通量"。而薄膜扩散梯度(DGT)技术的出现,为破解这一监测难题提供了有力的工具。

那么,DGT技术究竟是如何“看见"污染物隐形迁移的呢?从装置结构来看,DGT由三层薄膜和外壳组成。最外层的滤膜能够挡住环境中的颗粒物,只允许真正具有“生物可利用性"的溶解态污染物进入装置内部;中间的扩散膜(通常为水凝胶材质)会形成可控的纳米级扩散通道,为污染物的迁移提供特定路径;最关键的结合膜中含有Chelex、Zr-oxide等特异性吸附材料,能够将目标污染物牢牢“抓住",防止其再次扩散。在工作原理方面,DGT技术遵循被动采样中的“菲克定律",根据菲克第一扩散定律,当外界环境中污染物浓度高于结合膜表面浓度(结合膜表面浓度近似为0)时,污染物会持续向结合膜扩散并在膜上富集。科研人员通过测定结合膜上污染物的累积量,就可以反算出污染物的时间加权平均通量和有效浓度,进而获取“污染物补给动力学"的相关信息。在空间和时间分辨率上,DGT技术也表现出色,空间上,商用的超薄扩散膜能将监测分辨率压缩到亚毫米级,可直接观察到根际区域的二维影像;时间上,仅需几小时到数天的监测,就能得出污染物的平均通量,有效避免了因瞬时波动导致的误判。

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DGT技术的应用场景十分广泛,四大核心应用场景值得关注。

在沉积物-水界面监测中,DGT技术能够锁定污染物内源释放的热点区域。以太湖为例,科研人员利用DGT技术获取了有效态磷和铁的二维分布情况,发现两者在空间上高度重叠,由此揭示了“铁结合态磷"的耦合释放机制,为太湖富营养化治理锁定了关键区域。

在根际微区监测中,DGT技术可追踪植物与重金属之间的“暗渠"。比如在水稻根际监测中,科研人员使用DGT-PO“三明治"装置,同步描绘出氧气(O₂)、酸碱度(pH)以及砷(As)、铅(Pb)的二维图像,证实了水稻根尖分泌的氧气会驱动二价铁(Fe(Ⅱ))氧化,进而对痕量金属的再活化与吸收起到控制作用。对于汞、抗生素等新型污染物,DGT技术也能发挥重要作用,针对汞,纳米复合吸附膜的应用让DGT技术能够检测到纳克每升(ngL⁻¹)级别的二价汞(Hg²⁺)和甲基汞,同时借助DIFS模型还能预测汞的迁移潜力;

不仅如此,DGT技术与其他技术联用还能实现“1+1>2"的跨尺度监测效果。将DGT与DET/Peeper技术联用,能够在毫米级别获取营养盐、硫化物等物质的同步分布情况;DGT与平面光极(PO)技术结合,可实现秒级监测氧气(O₂)、酸碱度(pH)与金属之间的耦合动态;而DGT与LA-ICP-MS技术联用,则能将原本的二维影像升级为三维体分布,进一步揭示微孔隙、化学梯度与生物活性之间的三维关联真相。

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