水体和沉积物中有机质的生物地球化学行为——以东江-南海北部为例

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本文采集了从东江到珠江口及南海北部的一系列表层水、悬浮颗粒物和表层沉积物,分离和分级各介质中的有机质,并研究其物理化学性质和分子水平组成,探讨这些有机质的结构、分布、来源、迁移、降解程度。进一步定量地比较了不同有机质来源的重要性,以及有机级分对有机污染物的迁移和归宿的重要影响。本文首次用固体13C核磁共振表征了珠江水体中胶体有机质的结构;比较完整地分析了木质素在珠江悬浮颗粒物及南海北部沉积物中的分布、组成和来源,以及木质素在疏水性有机污染物吸附上的作用。研究结果表明:   1.反渗透可以有效分离珠江水体中的溶解有机质(平均产率75%)。浓缩因子是影响溶解有机质在反渗透系统中吸附的重要因素。DOM纯化过程中,阳离子交换树脂和电渗析能够有效去除溶液中的无机离子。无机离子与溶解有机质分子在电渗析过程中竞争透过/吸附在电渗析膜,两者的丰度比是影响有机质分子在系统内滞留的重要因素。   2.固体碳核磁谱的分析表明,糖类是DOM的重要组份,大约占到有机碳的30%。尽管回收率差异很大,但是DOM样品的图谱非常接近,说明RO系统浓缩过程并没有对DOM有明显的分馏作用。水库DOM比河流DOM含有更多的脂类物质。   3.珠江流域悬浮颗粒物中的木质素组成表明其陆源有机质主要来源于土壤。在河流中颗粒物的陆源有机质主要来自表层土壤和植物残体,而水库中主要来自深层的矿质土壤。氨基酸碳在总有机碳中比例非常高,说明浮游生物也是珠江颗粒有机质的重要来源之一。部分极端的δ15N也可以提供佐证来证明这一点。虽然颗粒物中的氨基酸经历了部分降解,但是这部分有机质仍有相当的生物可利用性。   4.随着水深增加,南海表层沉积物中稳定碳同位素增加,C/N比和木质素浓度均呈现明显的减小,指示了海向迁移过程中,海源有机质对沉积物有机质的贡献增加,而陆源有机质的贡献逐渐变小。南海沉积物中木质素酚的分布支持动力分选机理在陆源颗粒物海向传输过程中的重要性。   5.利用δ13C,使用二元混合模型计算了土壤和海洋浮游生物对南海沉积物有机质的相对贡献。结果表明,海洋浮游生物是其最重要的有机碳来源,土壤有机碳贡献也比较明显(15-40%),而植物的贡献基本可以忽略。因此,在定量估计陆源有机质对远海沉积物贡献时,土壤有机质比植物更具代表性。二氨基庚二酸(Dapa)是一种微生物生标,在部分珠江颗粒物和南海沉积物中检测到了高含量的Dapa,说明微生物也是有机质的重要来源之一。   6.一系列降解指标(木质素和氨基酸)说明,随海水深度的增加,沉积物有机质的降解程度也是增加的。一种新型的降解指标,羟基脯氨酸/香草酚比值(Hyp/V)也指示了相同的趋势。它和木质素的三种陆源降解指标均有很好的相关性,也说明了该指标的可靠性。   7.河流沉积物有机质中的提取级分(游离脂和木质素)对菲的吸附基本呈线性且吸附容量小,而残余级分对菲产生非线性吸附且吸附容量大,表明可提取级分属于软碳,残余级分包含大量硬碳。随游离脂、结合脂、木质素从有机基质上的去除,菲在残余级分上吸附的非线性增加,吸附容量增大,说明基质上的硬碳比例增大、吸附位增加、非均质性增强。
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