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水环境中的溶解有机质及其与金属离子的相互作用——荧光光谱学研究

傅平青  
【摘要】:自20世纪90年代以来,国内外学者对各种天然水体(如湖泊、河流、海洋、地下水等)中的溶解有机质(DOM)进行了卓有成效的研究。DOM在水生生态环境中具有许多重要功能:如氧和CO_2循环,初级生产力,光合作用以及气-液交换等。例如在湖泊生态系统中,DOM对湖泊系统各种物理、化学和生物过程都能够产生影响:它是湖泊异养型微生物所需能源的主要提供者;是湖泊水体pH的调节剂和控制因素;能够与金属离子及憎水性有机污染物相互作用,从而影响其迁移转化、毒性以及生物可利用性等。因此,研究天然水体中溶解有机质的来源、结构、组成等对揭示其本身的或污染物质的环境地球化学行为和生态环境效应,了解污染机理和建立污染预测模型等具有重要意义。 本论文通过选择这一国际前沿科学领域,主要运用三维荧光光谱仪、紫外-可见分光光度仪、溶解有机碳/氮分析仪、高效体积排阻色谱、荧光猝灭滴定等分析化学方法和手段,对云贵高原湖泊红枫湖、百花湖、洱海沉积物孔隙水以及一些河流等当中的DOM及其水化学特征进行了深入细致的研究,并且运用三维激发发射荧光光谱研究DOM中不同组分与Hg的相互作用,在溶解有机质的化学结构及其与金属汞的相互作用机理等方面取得了一些进展,其研究成果主要体现在以下几个方面: 1.由于三维荧光光谱能够得到荧光激发和发射波长同时变化时的光谱信息,本论文工作研究了标准腐殖质样品和不同来源溶解有机质样品所含荧光基团特征;同时利用标准腐殖酸样品对影响有机质荧光光谱特征的水化学参数如pH、离子强度以及有机质浓度等进行了研究。其结论对理解有机质的环境行为具有理论意义。 2.目前,国内对于沉积物中有机质特征的研究还很少,其研究方法一般沿用土壤有机质的研究方法,而对于沉积物孔隙水DOM的研究则更少。不少研究报道了海洋、河口以及盐沼沉积物孔隙水DOC含量剖面。由于沉积物二次矿化作用,沉积有机质的微生物降解作用等,孔隙水DOM的含量比其上覆水 水环境中的溶解有机质及其与金属离子的相互作用-一一荧光光谱学研究 体高达一个数量级以上。为了解释沉积物孔隙水中DOM的循环过程,本论 文工作利用High TOcll分析仪测定湖泊沉积物孔隙水剖面及其上覆水体中 DOM的溶解无机碳(DIC)、DOC等含量、利用三维荧光光谱仪检测DOM 的荧光光谱特性、利用HPSEC测定DOM的数均和重均分子量分布等的垂直 分布规律,同时结合沉积有机质的组成、结构和含量,揭示了湖汇沉积物孔 隙水DOM某些独特的地球化学特性。 3.系统地研究了受污染河流DOM的荧光光谱特性及其对DOM来源和对污染状 况的指示情况。研究结果表明,荧光光谱技术可以方便快捷地检测水体的受 污染程度。长期以来,人们一般认为类腐殖质荧光物质主要来源于流域土壤 中动植物残体腐烂形成的难溶有机质,而类蛋白荧光物质来源于生物活动和 城市生活污水污染。通过研究整个流域DOM的三种类型荧光与溶解有机碳、 正磷酸根、COD和按态氮之间的相关关系,揭示了城市生活污水及其微生物 活动不仅是污染河流中类蛋白荧光物质,而且也是类腐殖荧光物质的来源之 一。这一结论丰富了人们对DOM荧光及其来源问题的认识。 4.对红枫湖、百花湖进行了为期16个月的连续采样,通过研究水化学组成、 DOC、DIC、紫外一可见吸收及3DEEM等,初步揭示了湖泊溶解有机质的时 间及空间变化规律以及两湖DOM的来源、组成、季节性变化等方面的一些 差异。 5.研究了溶解有机质的三维荧光光谱中不同荧光峰与金属汞配位结合行为。由 于不同来源DOM,其组成和结构的复杂性,导致对金属离子配位牛用差异, 本论文工作利用3DEEM结合荧光碎灭滴定技术很好地表征了这种差异性。 6初步研究了太阳辐射对红枫湖DOM、南明河DOM以及腐殖酸标样的光谱特 征、分子量分布、荧光指数等的影响,揭示了天然水体中DOM受到太阳辐 射的影响后,其一系列物理化学特性都发生了有趣的改变。 关键词:溶解有机质,腐殖酸,富里酸,三维荧光光谱,同步荧光光谱,体积排阻 色谱,荧光碎灭滴定,红枫湖,百花湖,洱海,沉积物孔隙水,太阳辐射


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