天然有機質(zhì)及其與污染物的相互作用

前言

　　天然有機質(zhì)是湖泊水體的重要化學組分，是一類組成和結(jié)構(gòu)十分復雜、物理上不均一的有機混合物；來自動植物體的分解殘體，與生物活動密切相關(guān)，包括部分人為污染來源。有機質(zhì)在湖泊水生系統(tǒng)的物理、化學和生物過程中發(fā)揮著極其重要的作用：①有機質(zhì)是生態(tài)系統(tǒng)中能量與物質(zhì)循環(huán)的重要途徑，與生態(tài)系統(tǒng)的各個重要環(huán)節(jié)密切相關(guān)，是各種養(yǎng)分（碳、氮、磷和硅）循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是異養(yǎng)型微生物所需能源的主要提供者，是水體各種物理化學條件（溶解氧、pH和酸堿度）、光合作用和水汽交換等的重要影響因素。②有機質(zhì)是水體化學需氧量和生物需氧量的主要貢獻者，是目前水環(huán)境質(zhì)量評價的重要參數(shù)，與水體色、澤、味密切相關(guān)。③有機質(zhì)是環(huán)境污染物的重要絡(luò)合劑或吸附劑，對各種污染物的形態(tài)、毒性和生物有效性有重要的影響。在沉積物中，有機質(zhì)是疏水性有機污染物的主要宿體；在水環(huán)境中，有機結(jié)合態(tài)是許多有毒親生物金屬離子的主要賦存形式。④有機質(zhì)是各種環(huán)境工程技術(shù)的選擇、效率和評價等的重要影響因素；是飲用水水處理過程的去除對象，直接關(guān)系到飲用水處理工藝的設(shè)計和消毒副產(chǎn)品的形成。所以，天然有機質(zhì)相關(guān)研究不僅是湖泊科學和環(huán)境污染控制實踐研究中的重要問題，而且是目前環(huán)境科學、生態(tài)學、毒理學、環(huán)境立法和政策管理研究共同關(guān)注的科學問題?！　√烊挥袡C質(zhì)化學組成比較復雜，研究難度較大。最早的研究開始于土壤腐殖酸和油田有機地球化學，重點關(guān)注它們的歷史演變及其與土壤肥力、油氣的關(guān)系。幾十年來，環(huán)境問題的出現(xiàn)，特別是水體污染和富營養(yǎng)化問題的日趨嚴重，為天然有機質(zhì)的研究賦予了全新的科學內(nèi)涵。由于研究介質(zhì)和關(guān)注出發(fā)點不同，長期以來，湖泊天然有機質(zhì)在分析技術(shù)、手段和過程機理等方面的研究一直比較薄弱。2005年天然有機質(zhì)第一次作為特別專題被列入在美國召開的Goldschmidt國際會議。之后，環(huán)境地球化學和水環(huán)境等方面的國內(nèi)、國際會議多次將“天然有機質(zhì)及其與污染物相互作用”列入專題進行討論?！　”緯亲髡呒捌鋱F隊自1998年以來，在湖泊天然有機質(zhì)及其與污染物相互作用方面的最新研究成果，有以下特點：①涉及我國百花湖、紅楓湖、阿哈湖、太湖和滇池，及日本的琵琶湖和加拿大幾個森林湖泊的對比研究；②在技術(shù)手段方面，除了借鑒原有的技術(shù)手段（元素分析、紅外光譜和穩(wěn)定同位素等）外，還采用了很多新的方法（熒光光譜、金屬親和離子色譜、體積排除色譜、紫外滴定、偏振法和超濾）；③金屬包括Hg和cu，有機污染物涉及多環(huán)芳烴及藥品和個人護膚品；④有機質(zhì)涉及地表水和各種分離組分，以及常見的羧基和酚基之外的不同官能團。這些工作都表明湖泊水環(huán)境中天然有機質(zhì)在影響微量金屬和有機污染物的生物有效性、形態(tài)、毒理與生物地球化學循環(huán)E有重要作用。

內(nèi)容概要

本書是湖泊生態(tài)環(huán)境系列書之一，是一部介紹湖泊水體中天然有機質(zhì)及其與污染物相互作用機理方面的專著。全書共分9章，內(nèi)容包括湖泊溶解有機質(zhì)的時空分布特征，有機氮的分離方法及其穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，腐殖質(zhì)的色譜分離和表征，不同有機組分的化學結(jié)構(gòu)及其環(huán)境行為差異特征，河流水體有機質(zhì)的熒光特征及其與汞的作用機理，溶解有機質(zhì)的熒光與相對分子質(zhì)量之間的關(guān)系特征，有機質(zhì)與污染物相互作用的紫外吸收和熒光滴定法對比研究，金屬銅有機配位體的來源、化學結(jié)構(gòu)和循環(huán)特征，有機質(zhì)與多環(huán)芳烴的相互作用機理。本書對認識天然有機質(zhì)在湖泊環(huán)境中的物理、化學和生物作用機理與效應(yīng)有非常重要的價值，對深入揭示水體養(yǎng)分循環(huán)與富營養(yǎng)化過程、污染物的環(huán)境行為、風險評估和環(huán)境管理也有十分重要的意義。    本書可供湖泊學、生態(tài)學、毒理學、環(huán)境科學與工程、生物地球化學和環(huán)境管理等相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和管理人員、高等院校師生參考。

作者簡介

吳豐昌（e—mail：wufengchang@vip．skleg．ca），浙江衢州人。中國環(huán)境科學研究院研究員，北京師范大學博士生導師。中國科學院環(huán)境地球化學專業(yè)博士畢業(yè)，后在加拿大McMaster大學和日本名古屋大學工作8年。2001年入選中國科學院“引進海外杰出人才計劃”，曾任中國科學

書籍目錄

1 紅楓湖和百花湖溶解態(tài)有機質(zhì)的時空分布和循環(huán)特征  1.1 引言    1.1.1 湖泊水體DOC和IX)N    1.1.2 湖泊IX)C和DON的研究進展  1.2 淡水水體中DOC和DON的測定方法    1.2.1 DOC和無機氮的測定    1.2.2 DON測定方法研究  1.3 紅楓湖和百花湖水體中DOC和DON的剖面特征和影響因素    1.3.1 DOC和DON的組成和總體含量水平    1.3.2 DOC和DON的剖面特征    1.3.3 無機氮的剖面特征    1.3.4 DOC和DON剖面分布的影響因素    1.3.5 沉積物對水體DOC和DON分布的影響  1.4 紅楓湖和百花湖水體中DOC和DON的季節(jié)變化與循環(huán)特征    1.4.1 DOC和DON的季節(jié)變化    1.4.2 DOC和DON季節(jié)性變化的影響因素    1.4.3 DOM的循環(huán)特征  參考文獻2 湖泊溶解態(tài)有機氮的來源和循環(huán)特征：穩(wěn)定同位素示蹤  2.1 DON同位素分析方法    2.1.1 水生態(tài)系統(tǒng)中DON同位素的測定方法及研究現(xiàn)狀    2.1.2 DOM的富集分離方法    2.1.3 超濾法富集分離水體中的DOM方法研究    2.1.4 低溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)與滲析膜結(jié)合分離富集水體中的DOM      2.1.5 小結(jié)  2.2 紅楓湖和百花湖PON的循環(huán)特征    2.2.1 湖泊POM穩(wěn)定氮同位素的研究現(xiàn)狀      2.2.2 水樣采集與樣品前處理    2.2.3 紅楓湖和百花湖POM的季節(jié)性變化顯示其來源的差異    2.2.4 紅楓湖熱分層期NPON剖面變化特征及影響因素  2.3 紅楓湖泊水體中有機氮的生物地球化學循環(huán)    2.3.1 水生態(tài)系統(tǒng)中有機氮的生物地球化學意義    2.3.2 水樣采集與樣品前處理    2.3.3 紅楓湖水體的熱分層及無機氮的變化    2.3.4 紅楓湖水體中有機質(zhì)含量及碳氮同位素的變化    2.3.5 紅楓湖春季中上層水體強烈的硝化作用    2.3.6 紅楓湖夏季下層水體的反硝化作用    2.3.7 冬季外源輸入對湖泊內(nèi)部氮循環(huán)的影響    2.3.8 小結(jié)  參考文獻3 腐殖酸和富里酸的分離與化學結(jié)構(gòu)特征  3.1 運用高效液相色譜法對自然水體中HA和FA的快速定量分析    3.1.1 實驗和樣品    3.1.2 結(jié)果和討論    3.1.3 小結(jié)  3.2 FA的固定金屬離子親和色譜法分離和表征    3.2.1 實驗部分    3.2.2 結(jié)果和討淪    3.2.3 小結(jié)  參考文獻4 湖泊水體不同有機組分的分離和環(huán)境行為差異性  4.1 水體DoM富集分離方法    4.1.1 水體DOM的分離方法概述    4.1.2 樣品采集和分離  4.2 不同有機組分的化學結(jié)構(gòu)特征    4.2.1 樣品分析方法    4.2.2 不同有機組分的化學結(jié)構(gòu)  4.3 有機組分與金屬銅離子的相互作用    4.3.1 實驗方法    4.3.2 不同有機組分與銅離子的相互作用    4.3.3 條件穩(wěn)定常數(shù)與有機組分化學結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系  4.4 紅楓湖不同有機組分氯化活性的差異性    4.4.1 樣品和分析方法      4.4.2 不同有機組分氯化活性    4.4.3 不同有機組分的氯化活性與化學結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系    參考文獻5 有機質(zhì)的熒光特征及其與金屬汞的相互作用  5.1 引言  5.2 HA三維熒光光譜特性    5.2.1 HA熒光光譜特件的濃度效應(yīng)   ……6 湖泊天然溶解有機質(zhì)的分子熒光特征與相對分子質(zhì)量分布的關(guān)系7 紫外吸收和熒光猝滅滴定法對比研究溶解有機質(zhì)與污染物的相互作用8 湖泊金屬銅有機配位體的分離與化學結(jié)構(gòu)特征9 天然有機質(zhì)與有機污染物的相互作用詞匯索引

章節(jié)摘錄

　　有機質(zhì)本身為帶弱負電荷的聚合體，因此水中的一些物理化學條件的變化將會影響到它們的物理化學性質(zhì)。它們中的膠體部分由于電中和將發(fā)生絮凝，而溶解態(tài)部分可被吸附到這些沉淀的絮狀物上或者金屬的水化合物上并一起沉淀，在這一過程中有機質(zhì)的疏水性部分會優(yōu)先沉淀。湖泊水體中的一些溶質(zhì)（如鈣、錳、鐵和鋁）對于有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響可能與生物作用和光分解作用的影響相當。在許多半干旱地區(qū)，與人湖河流相比，湖泊水體中的鹽度較大，有機質(zhì)可能發(fā)生聚合和沉淀作用?！　∮捎诤此w中有機質(zhì)對其他無機和有機污染物形態(tài)毒性、地球化學行為和生物有效性的影響，及其對水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)的影響，DOM在湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的研究中日益受到重視。而有機質(zhì)對污染物的環(huán)境行為、效應(yīng)及其對水質(zhì)的影響程度與有機質(zhì)的含量、組成、分布和循環(huán)規(guī)律有著密切的關(guān)系，因此，有必要對湖泊水體中DOM（主要是DOC和DON）的時空分布和循環(huán)進行系統(tǒng)的研究?！　⊥瑫r，有機質(zhì)含有C、N、P、S等營養(yǎng)元素，是營養(yǎng)元素的儲存庫。浮游植物吸收無機營養(yǎng)元素后在生命活動中能釋放有機質(zhì)，有機質(zhì)發(fā)生光降解等物理化學過程產(chǎn)生無機的營養(yǎng)鹽，可以被細菌等微生物直接利用，這些過程都將有機質(zhì)和無機營養(yǎng)鹽聯(lián)系起來，使得有機質(zhì)和無機營養(yǎng)鹽在復雜的生物地球化學循環(huán)過程中發(fā)生相互作用。例如，DOC的礦化占底層滯水層礦化的100％，也就是說滯水層的無機營養(yǎng)鹽基本來自于有機碳（HoLlseretal.，2003）。DOM是水體中最大的有機碳庫。而DON也是不同水體中有機氮庫的重要組成，一般DON的濃度都超過了顆粒態(tài)有機氮（particleorgan-icnitrogen，PON）的濃度。　　內(nèi)生的有機質(zhì)富含脂肪鏈和營養(yǎng)元素，而陸源的則富含木質(zhì)素，芳環(huán)結(jié)構(gòu)多，所含的營養(yǎng)物質(zhì)少（Masheta1.，2004）。湖泊水體有機質(zhì)中可被樹脂截留成分的C／N、核磁共振譜、穩(wěn)定碳同位素、熒光光譜和紫外光譜、相對分子質(zhì)量和木質(zhì)素酚等都是識別有機質(zhì)來源的有效手段。有機質(zhì)在紫外波長為254nm時的吸收除以DOC濃度被稱作有機質(zhì)SUVA值，它與芳香結(jié)構(gòu)的濃度相關(guān)，低的suVA值說明是內(nèi)源的或者缺少陸源的有機質(zhì)（Weishaareta1.，2003）?！　『此w中DON主要由水體內(nèi)部的生物過程產(chǎn)生，包括浮游植物分泌細胞外液、N2的固定、細菌的呼吸、病毒細胞的溶解、浮游動物的進食及其排泄物的降解，另外一個內(nèi)源是沉積物的釋放。外源則包括徑流輸入和大氣沉降。有機碳匯包括光降解、生物降解和沉淀作用。在鋁、鐵和鈣含量高的酸性湖中，沉淀作用是有機質(zhì)向沉積物遷移的重要途徑（Parksand Barker，1997）。　　1.1.2.2 存在的主要問題　　水體中的DOC和DON基本代表了DOM的含量和特征，因此對其開展了廣泛的研究。最主要的問題是DOC和DON的準確測定?！　∷w中有機氮的測定在方法上存在更大的困難。因為有機氮含量是由。TDN差減溶解無機氮值獲得。要獲得準確的有機氮濃度，就必須先準確測定TDN濃度和各形態(tài)無機氮的濃度（包括NO2-、NO3-和NH4+）。各無機氮濃度的測定方法相對成熟，主要是TDN的測定還沒有公認的方法?！　　?/pre>




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　　《天然有機質(zhì)及其與污染物的相互作用》可供湖泊學、生態(tài)學、毒理學、環(huán)境科學與工程、生物地球化學和環(huán)境管理等相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和管理人員、高等院校師生參考。





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