在湖泊、河流、土壤乃至根際微區這些環境中,重金屬、抗生素、汞等污染物常常會悄無聲息地“挪窩"。它們的遷移方式多樣,有時會向下穿透沉積物,有時會沿著植物根系進入食物鏈,還可能在水與土的界面之間反復交換。這種看不見、摸不著的“隱形遷移",用傳統監測方法很難準確捕捉——傳統方法不僅在采樣過程中對環境的擾動較大,監測分辨率也低,而且只能獲取到污染物的“靜態濃度",無法得到反映其動態遷移過程的“動態通量"。而薄膜擴散梯度(DGT)技術的出現,為破解這一監測難題提供了有力的工具。
那么,DGT技術究竟是如何“看見"污染物隱形遷移的呢?從裝置結構來看,DGT由三層薄膜和外殼組成。最外層的濾膜能夠擋住環境中的顆粒物,只允許真正具有“生物可利用性"的溶解態污染物進入裝置內部;中間的擴散膜(通常為水凝膠材質)會形成可控的納米級擴散通道,為污染物的遷移提供特定路徑;最關鍵的結合膜中含有Chelex、Zr-oxide等特異性吸附材料,能夠將目標污染物牢牢“抓住",防止其再次擴散。在工作原理方面,DGT技術遵循被動采樣中的“菲克定律",根據菲克第一擴散定律,當外界環境中污染物濃度高于結合膜表面濃度(結合膜表面濃度近似為0)時,污染物會持續向結合膜擴散并在膜上富集。科研人員通過測定結合膜上污染物的累積量,就可以反算出污染物的時間加權平均通量和有效濃度,進而獲取“污染物補給動力學"的相關信息。在空間和時間分辨率上,DGT技術也表現出色,空間上,商用的超薄擴散膜能將監測分辨率壓縮到亞毫米級,可直接觀察到根際區域的二維影像;時間上,僅需幾小時到數天的監測,就能得出污染物的平均通量,有效避免了因瞬時波動導致的誤判。
DGT技術的應用場景十分廣泛,四大核心應用場景值得關注。
在沉積物-水界面監測中,DGT技術能夠鎖定污染物內源釋放的熱點區域。以太湖為例,科研人員利用DGT技術獲取了有效態磷和鐵的二維分布情況,發現兩者在空間上高度重疊,由此揭示了“鐵結合態磷"的耦合釋放機制,為太湖富營養化治理鎖定了關鍵區域。
在根際微區監測中,DGT技術可追蹤植物與重金屬之間的“暗渠"。比如在水稻根際監測中,科研人員使用DGT-PO“三明治"裝置,同步描繪出氧氣(O?)、酸堿度(pH)以及砷(As)、鉛(Pb)的二維圖像,證實了水稻根尖分泌的氧氣會驅動二價鐵(Fe(Ⅱ))氧化,進而對痕量金屬的再活化與吸收起到控制作用。對于汞、抗生素等新型污染物,DGT技術也能發揮重要作用,針對汞,納米復合吸附膜的應用讓DGT技術能夠檢測到納克每升(ngL?1)級別的二價汞(Hg2?)和甲基汞,同時借助DIFS模型還能預測汞的遷移潛力;
不僅如此,DGT技術與其他技術聯用還能實現“1+1>2"的跨尺度監測效果。將DGT與DET/Peeper技術聯用,能夠在毫米級別獲取營養鹽、硫化物等物質的同步分布情況;DGT與平面光極(PO)技術結合,可實現秒級監測氧氣(O?)、酸堿度(pH)與金屬之間的耦合動態;而DGT與LA-ICP-MS技術聯用,則能將原本的二維影像升級為三維體分布,進一步揭示微孔隙、化學梯度與生物活性之間的三維關聯真相。