论文部分内容阅读
湖泛（亦称为黑臭或黑水团）是湖泊水华藻类聚积区在一定的气象条件下水体突然发黑发臭的环境污染现象。目前，关于湖泛发生机制的研究仍停留在视觉（黑色）变化方面，而关于嗅觉（臭味）方面的研究涉及很少，这是由于专门针对湖泛中主要致臭物挥发性硫化物(VSCs)检测方法相对缺乏，以及过于依赖对野外跟踪样品的分析，缺少基本的物源介入过程研究。另外，目前太湖底泥疏浚工程已从单纯控制内源污染转向以内源控制为主，同时兼顾对湖泛的控制作用，然而底泥对湖泛发生所起的控制作用还主要依赖于感官判断，至于疏浚对湖泛致黑物、特别是致臭物形成的控制机制仍不清楚，缺乏机理性解释，从而使得依据不足。针对以上问题，本文主要围绕藻源性湖泛过程中主要致臭物(VSCs)的形成机制，以及疏浚导致的底泥性质变化对湖泛过程中VSCs的影响等方面，以室内模拟再现湖泛的发生，以外部添加含硫有机化合物及对湖泊底泥模拟疏浚的手段，分析上覆水体的VSCs等主要物质的变化特征，旨在阐明湖泛再现过程中VSCs的产生以及底泥疏浚对湖泛发生的影响机制，为湖泛治理的正确决策和工程措施的安排，提供科学依据。
本文基于顶空固相微萃取—气相色谱/火焰光度(SPME-GC/FPD)法对影响湖泛VSCs分析效率的关键因素进行了全面系统优化;采用静态密闭土-水培养系统装置，研究了不同有机基质下水体变黑、变臭的过程及特征，筛选出藻源性湖泛VSCs主要前驱物并研究其降解转化过程及机制，提出VSCs产生的主要途径;并结合湖泛室内动态仿真模拟手段，探讨了蓝藻堆积下有/无底泥对湖泛VSCs产生的影响及底泥疏浚的控制作用，分析了藻源性湖泛及VSCs对沉积物的依赖机制，结果表明:
在优化的顶空固相微萃取条件下，GC-FPD对测定的H2S、MeSH、DMS、DMDS和DMTS等5种目标组分的线性范围均达三个数量级以上，相关系数R2＞0.99，方法检测限、回收率均符合痕量VSCs的测定要求，并成功应用于实际样品中VSCs的测定。
在高有机负荷(1.0 g/L)下，不论添加的有机物是否含硫，均能使月亮湾未疏浚区沉积物-水体系变黑，表明即使没有外源硫加入，富营养湖泊沉积物中的硫源已足够使水体变黑，而添加的有机基质主要作用是提供微生物生长活动所需的营养物质以及营造水体厌氧的环境，从而使沉积物中Fe2+和S2-释放出来形成能使水体变黑的无定形FeS。但致臭过程必须有外加含硫有机物参与，其厌氧分解能产生大量的VSCs，其中蛋氨酸产生的VSCs种类和数量最多，以DMDS、DMTs和DMTes为主，与湖泛水体VSCs较相近;半胱氨酸产生VSCs以H2S为主，其他组分含量很低。不含硫有机基质作用下水体仅变黑但无强烈的臭味，与实际湖泛必须具备的“黑”及“臭”特征不完全一致。因此，可以确定蛋氨酸与半胱氨酸为VSCs的主要前驱物。
在蛋氨酸降解转化为VSCs的过程中，外加碳源（葡萄糖）能促进蛋氨酸降解，却抑制VSCs的产生，改变其转化的途径并延缓黑臭的暴发。硫酸还原菌(SRB)和产甲烷菌为厌氧沉积物中两大重要菌类，研究发现SRB对蛋氨酸降解具有显著的促进作用，使小分子VSCs含量增加最明显，并加速水体黑臭进程;产甲烷菌有抑制蛋氨酸降解和阻碍VSCs积累的趋势。蛋氨酸降解率与NH4+浓度变化的显著相关性表明，蛋氨酸降解的第一步是脱氨基作用、生成4-甲硫基-2-氧代丁酸(KMBA)，KMBA进一步降解为α-酮丁酸和MeSH，MeSH再通过不同途径转化为各种VSCs组分。由于VSCs总是先于水体颜色变黑前产生，达到最高浓度时往往伴随浓度的突变和水体黑色的出现，因此具有作为藻源性湖泛早期预警指标的潜质。
藻体中的硫不足以供给湖泛水体合成VSCs需要的所有活性硫，故而转向其他介质，沉积物正是可提供大量无机硫来源的介质，并为体系中绝大多数厌氧微生物（如SRB）提供生存环境，参与到湖泛中致臭物的形成过程，从而与湖泛形成关联。疏浚通过对上层底泥的去除，使得沉积物表层物理，特别是化学物质含量及生物组成发生极大变化，改变着新生表层底泥中无机硫含量和厌氧微生物种类与数量，必然影响着湖泛的形成过程与发生程度。表层底泥疏浚培养试验表明，在刚疏浚不久（如1个月）后的水域发生蓝藻积聚，湖泛的致黑现象比未疏浚更易发生;大约在疏浚3个月以及以后，疏浚才表现为对致黑产生抑制作用。但与致黑影响不同，所有疏浚处理均对VSCs的产生有控制作用。疏浚初期(1个月）VSCs的含量略低于未疏浚对照;而在疏浚3个月和5个月后的底泥系统中，VSCs形成的量要明显小于未疏浚对照。综合湖泛黑、臭现象对疏浚时间的响应，表明疏浚3个月以上底泥才能对湖泛产生显著的控制作用。因此建议，在实际疏浚工作中应合理安排工期，避免在蓝藻水华暴发季节前3个月内进行疏浚施工作业。