太湖水体溶解态腐殖质的结构组成及环境效应初探

溶解有机物(Dissolved Organic Matter,DOM)是天然水体中的重要组成部分,可以与水体中的重金属相互作用,影响水体中微量金属离子的形态、毒性、迁移转化过程及生物有效性,在水域生态系统的生物地球化学循环过程中发挥着重要的作用。湖泊在天然水体中处于重要地位,在富营养化湖泊中水华过程产生大量的有机质,是水体中有机质的主要来源之一,为金属离子的络合提供了更多的结合位点。在微生物的改造作用下,DOM结构组成发生改变,进一步影响了其环境行为。此外,DOM可转化为生物可利用性营养盐,是湖泊内源性可溶营养物释放的重要一环,对水华的发生和持续时间具有重要的影响。腐殖质(Humic Substances,HSs)作为DOM的主要组分(约占40%-80%),是天然水体中与金属离子相互作用的主体。HSs的结构组成及在水体中的转化过程是影响DOM地球化学行为的重要因素。因此,对水华过程中HSs结构组成及其与金属离子反应性质的认识,对深入认识富营养化水体中DOM的生物地球化学行为及环境效应具有重要的意义。本文选取典型的富营养化湖泊一太湖为研究对象,采用国际腐殖质协会推荐的方法,对太湖非水华期及水华期表层水体中溶解态腐殖质(Dissolved HS,DHS)进行了提取和分离,并利用元素分析、傅立叶变换红外光谱、核磁共振、热重分析及荧光光谱等表征手段对DHS不同组分进行表征。在此基础上,利用二维相关红外光谱分析和表征了非水华期及水华期的DHS中不同官能团金属离子络合能力的差异。初步结论如下:1.腐殖酸(Humic acids,HAs)和富里酸(Fulvic acids,FAs)均含有较高的碳和氧含量(37%-56%);与FAs相比,HAs中含有更多的含氮组分(6.4%vs.3.0%)。非水华及水华期DHS中均含有三类荧光组分。脂肪族结构是FAs的主要组成部分,芳香族结构是HAs的主要组成部分。水华期的DHS比非水华期的DHS具有更多的含氮官能团(5.3%vs.4.2%),与水华过程密切相关。与非水华期的DHS相比,水华期的DHS含有更多新鲜物质,具有更多的羧基和酚羟基官能团(32.8%vs.29.3%),提供了更多的结合位点。2.非水华期FAs与水华期FAs中的含氮及含氧的官能团在与Cu(Ⅱ)反应过程中具有更好的亲和能力。非水华期FAs官能团的亲和顺序为酰胺Ⅰ的C=O>酰胺Ⅱ的N-H变形和C=N伸缩>多糖中的C-O伸缩>木质素中芳香基团的C-H>COO-不对称伸缩>酚羟基中的C-O伸缩及O-H变形>酚羟基中的O-H伸缩>羧基中的C=O伸缩。而水华期FAs中有机官能团与Cu(Ⅱ)的亲和顺序可推测为羧基中的C=O>酰胺中的C=O>酚羟基中的C-O>蛋白质中的酰胺11>多糖中的C-O>脂肪族C-OH>酚羟基中的O-H>芳香基中的C-H。非水华期FAs中含氮有机物在与Cu(Ⅱ)反应过程中具有更快的亲和顺序,水华期FAs中的羧酸对Cu(Ⅱ)浓度变化最为敏感。水华过程中蓝藻分泌的胞外高聚物(Extracellular polymer substances,EPS)含有较多的碳水化合物(30%),改变了水华期FAs的组成,这可能是非水华期和水华期FAs亲和顺序差异的原因。3.非水华期及水华期水体中细菌的群落组成存在较大差异。β变形菌在非水华期的相对丰度约是水华期的4倍,而α变形菌水华期的含量约是非水华期的8.5倍。非水华期及水华期的Fluviicola(0.02%vs.6.4%)、SAR 11(1%vs.28.8%)、hgcI(6.7%vs.19.8%)属含量的差异改变了 DHS中含氮化合物及多糖等的含量和结构,进而影响了非水华期和水华期FAs中不同官能团与Cu(Ⅱ)的亲和顺序。

溶解腐殖质; 富营养化; 太湖; 结构组成; 环境效应; 重金属; 细菌胞外多聚物; 细菌多样性;

国家自然科学;

张芬芬;

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