【摘要】：湖泊富營養(yǎng)化是當(dāng)今世界各國面臨的水污染問題之一。在我國，長江中下游地區(qū)淺水湖泊已呈現(xiàn)不同的富營養(yǎng)化狀態(tài)，其中有機質(zhì)的富集是湖泊富營養(yǎng)化的重要特征。有機質(zhì)成分極其復(fù)雜，其賦存形態(tài)影響著污染物的遷移轉(zhuǎn)化。在富營養(yǎng)化湖泊中重金屬是一類重要的污染物，有機質(zhì)控制著重金屬的遷移和生物毒性。有機質(zhì)來源不同（土壤、河流、湖泊、垃圾濾液），其組成和結(jié)構(gòu)不同，對重金屬的結(jié)合作用也存在差異。因此，開展對不同生態(tài)類型、不同富營養(yǎng)化程度湖泊沉積物中有機質(zhì)賦存形態(tài)及其與重金屬相互作用的研究具有重要意義。 本研究工作是國家973項目的子課題——富營養(yǎng)化湖泊復(fù)合污染機理及生態(tài)毒理效應(yīng)（2008CB418204）。利用紫外-可見光譜、溶解有機碳分析儀、元素分析、傅立葉變換紅外、熒光光譜、質(zhì)子核磁共振等現(xiàn)代分析方法對藻型湖泊（太湖）、草藻型湖泊（南四湖）和草型湖泊（白洋淀）沉積物中不同來源的有機質(zhì)進行存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和組成研究；利用三維熒光光譜和質(zhì)子核磁共振研究了湖泊沉積物溶解性有機質(zhì)（DOM）中不同組分（類富里酸、類蛋白）與重金屬的配位作用，其主要研究結(jié)果如下： 1.湖泊富營養(yǎng)化漸進過程的標(biāo)志就是營養(yǎng)鹽的含量變化。同一湖泊不同采樣點（不同區(qū)域）沉積物中積累的營養(yǎng)物質(zhì)不同，反映了人類活動和自然因素的變化對湖泊整個生態(tài)環(huán)境的影響。根據(jù)單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)分別對太湖、南四湖和白洋淀上覆水體進行評價，表明南四湖富營養(yǎng)化最為嚴(yán)重。在高營養(yǎng)鹽濃度下，氮、磷營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)對不同生態(tài)型湖泊富營養(yǎng)化有重要影響。通過對氮磷比值分析，太湖和白洋淀采樣點水體基本均處于磷限制狀態(tài)。南四湖水體處于氮磷共同限制狀態(tài)。說明三個湖泊可以通過降低輸入含氮磷污染物總量，來緩解富營養(yǎng)化。 論文對三個湖泊沉積物中重金屬總量、形態(tài)進行了分析。采用地積累指數(shù)法對重金屬總量進行評價，結(jié)果表明，三個湖泊沉積物中重金屬Cu污染程度為極強度污染，Zn和Pb為無污染或輕污染。三個湖泊中Zn以殘渣態(tài)和鐵錳氧化態(tài)為主。Cu以殘渣態(tài)和有機物-硫化物結(jié)合態(tài)為主。說明隨著沉積物有機質(zhì)礦化分解及環(huán)境條件的改變，沉積物中Cu、Zn等重金屬可能發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化，具有較高的潛在生態(tài)風(fēng)險。 2.應(yīng)用物理分組和化學(xué)提取方法，研究了三種不同生態(tài)類型的湖泊沉積物中總有機質(zhì)（OM）、輕組有機質(zhì)（LFOM）和重組有機質(zhì)（HFOM）、活性有機質(zhì)（LOM）、溶解性有機質(zhì)（DOM）的賦存特征。結(jié)果表明，湖泊沉積物中LFOM含量均較低（2％），說明三個湖泊11個沉積物有機質(zhì)中以難分解的重組有機質(zhì)為主。三個湖泊沉積物中的對照區(qū)輕組有機質(zhì)和活性有機質(zhì)含量均大于養(yǎng)殖區(qū)和污水排放區(qū)，溶解性有機質(zhì)呈相反趨勢。說明對照區(qū)中有機質(zhì)與養(yǎng)殖區(qū)和污水排放區(qū)相比可能易礦化分解。 3.紫外-可見吸收光譜研究結(jié)果表明：三個湖泊沉積物中E4/E6比值均大于3.5，說明DOM均為腐殖化程度不高、芳構(gòu)化程度低、分子量不大。DOM中以富里酸為主，而腐殖酸含量不多。太湖沉積物DOM腐殖化程度、芳構(gòu)化程度、分子量最低，白洋淀次之，南四湖最高。三個湖泊不同采樣區(qū)沉積物中DOM紫外光譜特性不同，但總的趨勢是對照區(qū)沉積物DOM腐殖化程度、芳構(gòu)化程度、分子量最低。元素分析及紅外圖譜（FTIR）表明：三個湖泊對照區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、水生植物區(qū)沉積物DOM中含有相似的官能團，主要為：-COOH、胺類、醇、糖類及脂類等。養(yǎng)殖區(qū)還含有脂肪類、胺類等特征官能團。水生植物區(qū)還含有-NH4+等特征官能團。由于不同湖泊污染來源的不同，因此不同湖泊污水排放區(qū)沉積物DOM中含有特征官能團不同。太湖沉積物DOM中含有腈、有機鹵化物等；南四湖有炔烴等；白洋淀有脂環(huán)、羧酸二聚體等。質(zhì)子核磁共振（1HNMR）分析結(jié)果表明：不同生態(tài)類型湖泊、不同來源沉積物DOM中烷基鏈烴支鏈相對含量差異較大。但總的趨勢是，養(yǎng)殖區(qū)和污水排放區(qū)沉積物DOM中烷基鏈烴含量相對較高，支鏈較長，分支少。對照區(qū)烷基鏈烴含量相對少，支鏈較短，分支較多。湖泊類型、污染歷史、污染來源、污染程度等均為導(dǎo)致沉積物DOM中烷基鏈烴支鏈相對含量和結(jié)構(gòu)的差異的主要因素。 4.三個湖泊不同來源的沉積物中DOM的熒光光譜特性表明，11個沉積物樣品DOM分別為紫外類富里酸、可見類富里酸和類蛋白，其中以類富里酸為主。據(jù)熒光指數(shù)f450/500推斷，太湖和南四湖對照區(qū)沉積物中DOM的主要來自生物源。養(yǎng)殖區(qū)、污水排放區(qū)及水生植物區(qū)既有陸源也有生物源。白洋淀對照區(qū)沉積物中DOM以陸源輸入為主，養(yǎng)殖區(qū)以生物源為主，污水排放區(qū)和水生植物區(qū)主要來自陸源和生物源。同步熒光光譜表明，白洋淀和南四湖沉積物DOM的腐殖質(zhì)類物質(zhì)較太湖而言，腐殖化程度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。三維熒光光譜（3DEEM）顯示，沉積物DOM含有類富里酸（可見區(qū)類富里酸、紫外區(qū)類富里酸）和類蛋白（類色氨酸和類酪氨酸）熒光峰。三個湖泊除對照區(qū)外，養(yǎng)殖區(qū)、污水排放區(qū)和水生植物區(qū)均表現(xiàn)出極強的類蛋白熒光。熒光強度比值r(B，C)比值在未受污染的對照區(qū)為1左右，而受污染嚴(yán)重的水生植物區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)和污水排放區(qū)r(B，C)比值在1.5-2.5。r(B，C)可用來指示湖泊受污染程度。三個湖泊采樣點r(A，C)值為1.5-3.0，表明沉積物DOM的來源、組成都存在較大差異。 5.熒光光譜特征表明，隨Cu (Ⅱ)濃度增加，DOM中富里酸或類蛋白熒光強度降低。質(zhì)子核磁共振譜圖證實，Cu (Ⅱ)與DOM中糖類官能團、醌基、羥基或酚基發(fā)生配位作用，形成復(fù)雜的螯合物。應(yīng)用修正型Stern-Volmer方程計算的Cu (Ⅱ)配位的熒光基團比例（f）和配位穩(wěn)定常數(shù)(K)顯示，DOM中可見光區(qū)類富里酸物質(zhì)對Cu (Ⅱ)配位能力最強，類蛋白物質(zhì)次之，紫外光區(qū)類富里酸物質(zhì)最弱。溶液pH是影響Cu (Ⅱ)與DOM中富里酸和類蛋白形成配位化合物的穩(wěn)定性主要因素之一。 綜上，不同生態(tài)型富營養(yǎng)化湖泊，不同來源的沉積物DOM含量、組分及結(jié)構(gòu)性質(zhì)存在較大差異�？梢酝ㄟ^紅外光譜、紫外-可見吸收光譜、熒光光譜、核磁共振等現(xiàn)代儀器分析手段，分析其結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)特征官能團推斷污染來源；根據(jù)其結(jié)構(gòu)腐殖化程度、分子量大小、支鏈多少等推斷其分解速率，根據(jù)熒光光譜參數(shù)r(B，C)和類蛋白熒光推斷指示湖泊受污染程度；根據(jù)其官能團與重金屬的螯合穩(wěn)定性，推斷沉積物中重金屬釋放的可能性。沉積物DOM的光譜特性與沉積物來源、污染程度、分解速率等的定量關(guān)系，以及DOM特征官能團與重金屬螯合的定量關(guān)系是今后研究的方向。
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X524

【引證文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 楠定其其格;岱海與達里諾爾湖重金屬的環(huán)境地球化學(xué)研究[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2013年

本文編號：2761592