外源硫酸盐对武汉南湖沉积物磷迁移特性的作用

论文摘要

湖泊富营养化是突出的水环境问题,水-沉积物界面是水和沉积物之间的转换区,是水环境的一个特殊而重要的区域。一方面,当湖泊的外源污染得到控制后,作为内源的沉积物成为水体磷的重要来源。另一方面,硫酸盐输入湖泊日益加剧,这种情况将会对湖泊内源磷具体的迁移转化产生影响。本课题以水-沉积物界面为研究对象,选取南湖沉积物及相应上覆水,通过实验室模拟,进行了外源硫酸盐对沉积物磷循环影响的研究,主要结论如下：（1）硫酸盐还原作用显著改变了南湖沉积物的理化性质,对影响沉积物磷释放的因素pH和Eh产生了重要影响,硫酸盐还原菌（Sulfate reduction bacteria,SRB）在还原硫酸盐过程中,表层沉积物pH值显著升高。Eh和pH存在一个负相关关系,硫酸盐输入使表层沉积物的Eh显著降低。（2）S042-还原产物主要是酸可挥发性硫（Acid volatile sulfide,AVS）（主要为H2S、FeS）和铬还原态硫,这些物质通常以沉淀形式滞留在沉积物中。实验初期,AVS是主要存在形式,后期由于FeS+S0→FeS2的发生,AVS转化为更稳定的FeS2。AVS含量与沉积物Eh有显著相关性,在本研究中,实验后3周,pH降低,Eh值升高时,AVS含量下降。（3）硫酸盐还原指数（Sulfate reduction index,SRI）随着SO42-输入浓度的增大而增大,即硫酸盐还原作用越来越强烈,同时,厌氧条件下SRB对有机质的降解加强,二者呈负相关关系,随着硫酸盐还原作用的进行,沉积物有机质被消耗,含量逐渐降低。（4）在硫酸盐还原作用下,显著促进了活性有机磷（Labile organic phosphorus,LOP）矿化；随着Eh降低,沉积物中铁发生Fe（Ⅲ）→Fe（Ⅱ）的化学反应,Fe/P下降,铁结合态磷得以释放,同时,沉积物中AVS和FeS2的生成使与Fe结合的P043-发生释放,增加了水-沉积物界面的磷含量；另外,硫酸盐还原作用还使得沉积物pH值升高,OH-与磷酸盐阴离子竞争吸附位点,导致磷多以P043-形态存在,而不易被底泥吸附固定,使得溶解到水中的磷含量增加。实验中Ca2-P含量增加,可能是由于有机磷中的肌醇六磷酸钙发生矿化转化为Ca2-P。（5）利用31P核磁共振（31P-NMR）测定了沉积物NaOH-EDTA萃取物中各种磷化合物的分子形态及相对含量。结果表明,南湖沉积物中的磷组分主要有正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯和焦磷酸盐组成,且正磷酸盐含量占绝对优势,含量高达84.1-95.5%,生物磷含量顺序为磷酸单酯>磷酸二酯>焦磷酸盐。SRB大量增殖时,硫酸盐还原作用可以显著促进沉积物中的正磷酸盐向上覆水中释放。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 我国湖泊富营养化现状
• 1.2 湖泊中磷的来源
• 1.3 湖泊水体与沉积物中磷的分布和迁移特征
• 1.3.1 湖泊沉积物中磷的组成
• 1.3.2 沉积物中磷的赋存形态
• 1.3.3 核磁共振技术在磷组分分析中的应用
• 1.3.4 水-沉积物界面磷的释放
• 1.4 湖泊沉积物一水体系硫循环
• 1.4.1 自然界硫循环
• 1.4.2 微生物在硫循环中的作用
• 1.4.3 水-沉积物体系硫的来源
• 1.4.4 沉积物中硫的生物地球化学循环机制
• 1.4.5 湖泊硫循环过程中硫酸盐还原菌的作用
• 1.5 硫酸盐还原作用在湖泊磷循环中的意义
• 1.6 研究目的和内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究目的
• 1.6.3 研究内容
• 1.6.4 技术路线
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.2 供试南湖上覆水与沉积物基本特征
• 2.3 实验设计
• 2.4 测定项目及方法
• 2.4.1 上覆水和沉积物的基本理化性质
• 2.4.2 上覆水和间隙水磷形态、溶解性Fe和沉积物Fe的测定
• 4^2-测定'>2.4.3 上覆水和间隙水SO₄^2-测定
• 2.4.4 沉积物中SRB测定
• 2.4.5 沉积物中AVS和铬还原硫形态硫的测定
• 2.4.6 沉积物总磷测定
• 2.4.7 沉积物磷分级
• 2.4.8 沉积物有机磷分级
• 2.4.9 沉积物磷重要组分的测定
• 2.4.10 硫酸盐还原指数的测定
• 2.4.11 数据统计分析方法
• 4^2-输入对水体pH、Eh的作用'>3 SO₄^2-输入对水体pH、Eh的作用
• 4^2-输入对上覆水pH和Eh的影响'>3.1 SO₄^2-输入对上覆水pH和Eh的影响
• 4^2-输入对沉积物pH和Eh的影响'>3.2 SO₄^2-输入对沉积物pH和Eh的影响
• 3.2.1 沉积物pH在不同深度的变化特征
• 3.2.2 沉积物Eh在不同深度的变化特征
• 3.2.3 小结
• 4^2-在水体中的归趋及其与有机质矿化的关系'>4 SO₄^2-在水体中的归趋及其与有机质矿化的关系
• 4^2-的变化'>4.1 上覆水和沉积物间隙水中SO₄^2-的变化
• 4.2 沉积物中AVS和铬还原态硫的变化
• 4.3 沉积物间隙水中铁的变化
• 4.4 沉积物中SRB含量变化
• 4.5 沉积物有机质和硫酸盐还原作用的关系
• 4.6 小结
• 4^2-输入对水体中磷含量的作用趋势'>5 SO₄^2-输入对水体中磷含量的作用趋势
• 5.1 上覆水中TP和SRP的变化
• 5.2 沉积物间隙水TP和SRP的变化
• 5.3 沉积物TP含量的变化
• 5.4 小结
• 4^2-输入对沉积物磷形态的影响'>6 SO₄^2-输入对沉积物磷形态的影响
• 4^2-输入引起沉积物磷赋存形态的转化特征'>6.1 SO₄^2-输入引起沉积物磷赋存形态的转化特征
• 4^2-输入引起沉积物有机磷赋存形态的转化特征'>6.2 SO₄^2-输入引起沉积物有机磷赋存形态的转化特征
• 4^2-原作用下沉积物磷重要组分种类与分布的变化趋势'>6.3 SO₄^2-原作用下沉积物磷重要组分种类与分布的变化趋势
• 6.4 小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表文章情况
• 致谢