Sequence of the main geochemical controls on the Cu and Zn fractions in the Yangtze River estuarine sediments

Abstract

Metal speciation can provide sufficient information for environmental and geochemical researches. In this study, based on the speciation determination of Cu and Zn in the Yangtze Estuary sediments, roles of eight geochemical controls (i.e., total organic carbon (TOC), clay, Fe/Mn in five chemical fractions and salinity) are fully investigated and sequenced with correlation analysis (CA) and principal components analysis (PCA). Results show that TOC, clay and Fe/Mn oxides are key geochemical factors affecting the chemical speciation distributions of Cu and Zn in sediments, while the role of salinity appears to be more indirect effect. The influencing sequence generally follows the order: TOC>clay>Mn oxides>Fe oxides>salinity. Among the different fractions of Fe/Mn oxides, residual and total Fe content, and exchangeable and carbonate Mn exert the greatest influences, while exchangeable Fe and residual Mn show the poorest influences.

Keywords

chemical speciation / geochemical factors / estuaries / sediments / correlation / salinity

References

[1] Wang Z L, Liu C Q. Distribution and partition behavior of heavy metals between dissolved and acid–soluble fractions along a salinity gradient in the Changjiang Estuary, eastern China. Chemical Geology, 2003, 202(3–4): 383–396

[2] Filgueiras A V, Lavilla I, Bendicho C. Evaluation of distribution, mobility and binding behaviour of heavy metals in surficial sediments of Louro River (Galicia, Spain) using chemometric analysis: a case study. Science of the Total Environment, 2004, 330(1–3): 115–129

[3] Eggleton J, Thomas K V. A review of factors affecting the release and bioavailability of contaminants during sediment disturbance events. Environment International, 2004, 30(7): 973–980

[4] Beck M, Böning P, Schückel U, Stiehl T, Schnetger B, Rullkötter J, Brumsack H J. Consistent assessment of trace metal contamination in surface sediments and suspended particulate matter: a case study from the Jade Bay in NW Germany. Marine Pollution Bulletin, 2013, 70(1–2): 100–111

[5] Liu B, Hu K, Jiang Z, Yang J, Luo X, Liu A. Distribution and enrichment of heavy metals in a sediment core from the Pearl River Estuary. Environmental Earth Sciences, 2011, 62(2): 265–275

[6] Sander S G, Hunter K A, Harms H, Wells M. Numerical approach to speciation and estimation of parameters used in modeling trace metal bioavailability. Environmental Science & Technology, 2011, 45(15): 6388–6395

[7] Yang Z, Wang Y, Shen Z, Niu J, Tang Z. Distribution and speciation of heavy metals in sediments from the mainstream, tributaries, and lakes of the Yangtze River catchment of Wuhan, China. Journal of Hazardous Materials, 2009, 166(2–3): 1186–1194

[8] Passosa E, Alves J, Santos I, Alves J, Garcia C, Costa A. Assessment of trace metals contamination in estuarine sediments using a sequential extraction technique and principal component analysis. Microchemical Journal, 2010, 96(1): 50–57

[9] Chakraborty P, Babu P V, Sarma V V. A study of lead and cadmium speciation in some estuarine and coastal sediments. Chemical Geology, 2012, 294:  217–225

[10] Zhao X, Dong D, Hua X, Dong S. Investigation of the transport and fate of Pb, Cd, Cr(VI) and As(V) in soil zones derived from moderately contaminated farmland in Northeast, China. Journal of Hazardous Materials, 2009, 170(2–3): 570–577

[11] Tessier A, Campbell P G C, Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical Chemistry, 1979, 51(7): 844–851

[12] Wen L S, Warnken K W, Santschi P H. The role of organic carbon, iron, and aluminium oxyhydroxides as trace metal carriers: Comparison between the Trinity River and the Trinity River Estuary (Galveston Bay, Texas). Marine Chemistry, 2008, 112(1): 20–37

[13] Dai Y, Yin L, Niu J. Laccase-carrying electrospun fibrous membranes  for  adsorption  and  degradation  of  PAHs  in  shoal soils. Environmental Science & Technology, 2011, 45(24): 10611–10618

[14] Zhao S, Feng C, Huang X, Li B, Niu J, Shen Z. Role of uniform pore structure and high positive charges in the arsenate adsorption performance of Al₁₃-modified montmorillonite. Journal of Hazardous Materials, 2012, 203–204: 317–325

[15] Owojori O J, Reinecke A J, Rozanov A B. Role of clay content in partitioning, uptake and toxicity of zinc in the earthworm Eisenia fetida. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2009, 72(1): 99–107

[16] Garnier J M, Guieu C. Release of cadmium in the Danube estuary: contribution of physical and chemical processes as determined by an experimental approach. Marine Environmental Research, 2003, 55(1): 5–25

[17] Calmano W, Hong J, Förstner U. Binding and mobilization of heavy metals in contaminated sediments affected by pH and redox potential. Water Science and Technology, 1993, 28(8): 223–235

[18] Du Laing G, Rinklebe J, Vandecasteele B, Meers E, Tack F M. Trace metal behaviour in estuarine and riverine floodplain soils and sediments: a review. Science of the Total Environment, 2009, 407(13): 3972–3985

[19] Förstner U, Ahlf W, Calmano W. Studies on the transfer of heavy metals between sedimentary phases with a multi–chamber device: combined effects of salinity and redox variation. Marine Chemistry, 1989, 28(1): 145–158

[20] Acosta J A, Jansen B, Kalbitz K, Faz A, Martínez-Martínez S. Salinity increases mobility of heavy metals in soils. Chemosphere, 2011, 85(8): 1318–1324

[21] Zhao S, Feng C, Wang D, Liu Y, Shen Z. Salinity increases the mobility of Cd, Cu, Mn, and Pb in the sediments of Yangtze Estuary: relative role of sediments’ properties and metal speciation. Chemosphere, 2013, 91(7): 977–984

[22] Wong V, Johnston S, Burton E, Bush R, Sullivan L, Slavich P. Seawater causes rapid trace metal mobilisation in coastal lowland acid sulfate soils: Implications of sea level rise for water quality. Geoderma, 2010, 160(2): 252–263

[23] Saito Y, Yang Z, Hori K. The Huanghe (Yellow River) and Changjiang (Yangtze River) deltas: a review on their characteristics, evolution and sediment discharge during the Holocene. Geomorphology, 2001, 41(2): 219–231

[24] Li B, Feng C, Li X, Chen Y, Niu J, Shen Z. Spatial distribution and source apportionment of PAHs in surficial sediments of the Yangtze Estuary, China. Marine Pollution Bulletin, 2012, 64(3): 636–643

[25] Elzinga E J, Cirmo A. Application of sequential extractions and X-ray absorption spectroscopy to determine the speciation of chromium in Northern New Jersey marsh soils developed in chromite ore processing residue (COPR). Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(1–3): 145–154

[26] Giacomino A, Malandrino M, Abollino O, Velayutham M, Chinnathangavel T, Mentasti E. An approach for arsenic in a contaminated soil: speciation, fractionation, extraction and effluent decontamination. Environmental Pollution, 2010, 158(2): 416–423

[27] Shao M, Zhang T, Fang H H. Autotrophic denitrification and its effect on metal speciation during marine sediment remediation. Water Research, 2009, 43(12): 2961–2968

[28] Naji A, Ismail A, Ismail A R. Chemical speciation and contamination assessment of Zn and Cd by sequential extraction in surface sediment of Klang River, Malaysia. Microchemical Journal, 2010, 95(2): 285–292

[29] Su D C, Wong J W C. Chemical speciation and phytoavailability of Zn, Cu, Ni and Cd in soil amended with fly ash-stabilized sewage sludge. Environment International, 2004, 29(7): 895–900

[30] Banerjee A D K. Heavy metal levels and solid phase speciation in street dusts of Delhi, India. Environmental Pollution, 2003, 123(1): 95–105

[31] Sundaray S K, Nayak B B, Lin S, Bhatta D. Geochemical speciation and risk assessment of heavy metals in the river estuarine sediments—a case study: Mahanadi basin, India. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(2–3): 1837–1846

[32] Chao T T. Use of partial dissolution techniques in geochemical exploration. Journal of Geochemical Exploration, 1984, 20(2): 101–135

[33] Wang X, Li Y. Measurement of Cu and Zn adsorption onto surficial sediment components: new evidence for less importance of clay minerals. Journal of Hazardous Materials, 2011, 189(3): 719–723

[34] Plach J M, Elliott A V C, Droppo I G, Warren L A. Physical and ecological controls on freshwater floc trace metal dynamics. Environmental Science & Technology, 2011, 45(6): 2157–2164

[35] Rath P, Panda U C, Bhatta D, Sahu K C. Use of sequential leaching, mineralogy, morphology and multivariate statistical technique for quantifying metal pollution in highly polluted aquatic sediments—a case study: Brahmani and Nandira Rivers, India. Journal of Hazardous Materials, 2009, 163(2–3): 632–644

[36] Goh B P L, Chou L M. Heavy metal levels in marine sediments of Singapore. Environmental Monitoring and Assessment, 1997, 44(1–3): 67–80

[37] Turner A. Marine pollution from antifouling paint particles. Marine Pollution Bulletin, 2010, 60(2): 159–171

[38] Xian X. Effect of chemical forms of cadmium, zinc, and lead in polluted soils on their uptake by cabbage plants. Plant and Soil, 1989, 113(2): 257–264

[39] Yuan C G, Shi J B, He B, Liu J F, Liang L N, Jiang G B. Speciation of heavy metals in marine sediments from the East China Sea by ICP-MS with sequential extraction. Environment International, 2004, 30(6): 769–783

[40] Li Q, Wu Z, Chu B, Zhang N, Cai S, Fang J. Heavy metals in coastal wetland sediments of the Pearl River Estuary, China. Environmental Pollution, 2007, 149(2): 158–164

[41] Sundaray S K, Nayak B B, Lin S, Bhatta D. Geochemical speciation and risk assessment of heavy metals in the river estuarine sediments—a case study: Mahanadi basin, India. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(2–3): 1837–1846

[42] Lasheen M R, Ammar N S. Speciation of some heavy metals in River Nile sediments, Cairo, Egypt. Environmentalist, 2009, 29(1): 8–16

[43] Nordmyr L, Österholm P, Aström M. Estuarine behaviour of metal loads leached from coastal lowland acid sulphate soils. Marine Environmental Research, 2008, 66(3): 378–393

[44] Turner A. Trace metal contamination in sediments from UK estuaries: an empirical evaluation of the role of hydrous iron and manganese oxides. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2000, 50(3): 355–371

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg