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小分子有机酸是一类分子量小于500Da、含羧基的有机化合物,是各种大分子天然有机质厌氧转化成CH4和CO2及与微生物活动有关的重要中间产物,在地表环境中广泛分布,并在各种物理、化学和生物过程中起着十分重要的作用,它们与微量金属(如:Cu、As、Zn、Cd、Pb和Ce)离子及有机氯农药等有机污染物有较强的结合能力,直接影响着这些有毒有害物质的迁移转化行为、生物有效性和毒性。目前只有大约25％溶解有机质已鉴定出具体的化学组分,大部分仍不清楚,且它们在溶解有机质中的贡献或份额也不清楚。长期以来,人们对有机酸进行了很多研究,但主要集中在雨水、大气、冰芯和土壤等环境中,重点是揭示它们的来源、对环境影响的程度和历史。目前对地表水体和沉积物中的低分子量有机酸报道还非常少。对湖泊有机酸的研究扩大了我们有机质的认识范围,也有助于揭示其组成、来源及其生态环境效应机理。
本文选择中国南北方七个湖泊:红枫湖(HF),四海龙湾(SHLW)、博斯腾湖(BST)、青海湖(QH)程海(CH)、洱海(EH)、滇池(DC)为研究对象,结合离子色谱和有机碳分析、三维荧光光谱技术等现代分析方法和手段,测定HF水体及其他六个湖泊沉积物孔隙水中有机酸的组成、含量以及溶解有机碳含量,分析了有机酸总量的日变化及剖面变化趋势,荧光强度与溶解有机碳(DOC)含量的日变化趋势及其与有机酸的关系,揭示了有机酸来源与影响其剖面变化的各种因素,探讨了它们对溶解有机质的贡献及其与沉积物早期成岩过程的关系。本论文的研究,成果主要有以下几点:
1.HF水体中含有5种低分子量有机酸,乳酸、乙酸、丙酮酸、山梨酸和草酸,它们的总浓度高达6.55μmol·L-1,其含碳量占湖水DOC含量的7.47％。以乳酸和丙酮酸为主,含量为2.50μmol·L-1和2.35μmol·L-1,分别占有机酸总量的38.24％和35.86％。由于存在有机质降解对有机酸的产生,微生物对有机酸的矿化,有机酸的光解这几种因素的综合作用,表层水体有机酸在不同时刻基本维持平衡,但18:00达到最大值为19.36μmol·L-1,主要是光合作用的累积效应；而底层水体在微生物的矿化作用下有机酸呈现逐渐减小的日变化趋势。无光解及微生物吸收减弱的条件下,晚上表层丙酮酸含量逐渐增加,而底层丙酮酸在微生物的矿化作用下随时间逐渐减小。
2.沉积物孔隙水中可以检测到8种有机酸:乳酸、乙酸、甲酸、甲基磺酸、丙酮酸、三氟乙酸、山梨酸、草酸。各湖泊有机酸总量的高低顺序排列为:QH>SHLW>BST>EH>DC>CH,北方湖泊有机酸总量较南方湖泊高27倍,青海湖中的有机酸总量最高,平均为91.96±77.4μmol·L-1,对DOC的贡献为10.93％,其次是SHLW,BST,EH,DC,这些湖泊中有机酸总量及其对DOC的贡献分别为43.69μmol·L-1,2.67％；42.29μmol·L-1,5.59％；5.61μmol·L-1,1.10％；4.35μmol·L-1,0.73％。不同形态和不同湖泊中低分子量有机酸及其剖面变化因早期成岩过程的来源和复杂的微生物过程而不同,与湖区周围的植被状况、气候条件以及各种微生物行为密切相关。
3.QH、SHLW、BST、EH、DC孔隙水中分别以乳酸、乙酸、丙酮酸、乳酸、山梨酸作为主要有机酸形态,占各自湖泊有机酸总量的33.11％,84.90％,57.58％,30.36％,52.27％,它们对DOC贡献为5.35％,2.29％,3.54％,0.35％,0.52％,而程海总有机酸对DOC的贡献才0.04％。六个湖泊各类有机酸的总含量以乙酸最高,甲基磺酸最低,分别是62.65μmol·L-1和0.30μmol·L-1。表明低分子量有机酸是湖泊孔隙水中溶解有机质非常重要的化学组分之一,同时反映了在相对还原条件下,低分子量有机酸的组成与目前已经报道的冰川、大气和土壤环境中的有机酸组成有明显的差异。
4.低分子量有机酸的含量在沉积剖面的变化有较大的波动,但各自仍有一定的趋势。结果表明了不同类型有机酸在沉积物早期成岩过程中行为的差异性。六湖泊孔隙水中有机酸的剖面趋势可以总结成5种:增加-减小-稳定的三阶段、逐渐减小、逐渐增加、先减后增、维持稳定模式。