水生植物腐解有机质释放对水环境典型污染物影响机理研究

Macrophyte plants play an important role in purification of water environment, but their decomposition can cause negative effects on water environment. It has become very urgent to reveal the influence of dissolved organic matter (DOM) structure change on the complexing action of heavy metal and organic pollutants in water. In this research, based on the macrophyte decomposition simulation experiments with different biomass, we explore the evolution of DOM molecular composition and structures, and the complexing action process of DOM with heavy metal and organic pollutant as well as its influence mechanism, using a range of methods such as ultraviolet-visible spectroscopy, fluorescence spectroscopy, infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance(NMR), elemental analysis, transmission electron microscopy and diffusive gradients in thin-films technique (DGT), which is essential for the quantitive assessment of the influence of organic matter released from macrophyte deposition on typical pollutants in water. This project makes a deep research on the environmental effects of macrophyte deposition, and can promote the use of macrophyte in purifying polluted water environment.

采用高等水生植物净化水体是水体生态修复的重要措施，但水生植物腐解有机质释放会给已修复的水体带来负面影响。水生植物腐解过程中释放的不同结构特征的溶解性有机质(DOM)如何对水环境中典型污染物如重金属和有机污染物产生影响，已经成为急需研究的问题。本研究根据不同生物量的水生植物腐解模拟实验，综合利用紫外-可见光谱、荧光光谱、红外光谱、核磁共振（NMR）、元素分析、透射电镜等技术，研究腐解过程中释放的DOM结构演化、不同组分DOM与水环境中重金属及有机污染物的络合过程与影响机制，揭示了水环境中有机质增加对重金属和有机污染物向水体中释放机理。本研究为科学评价水生植物腐解增加沉积物中重金属和有机污染物释放风险提供基础，有助于更好地利用水生植物对污染水体进行修复。

利用水生植物修复技术可以有效地吸附氮、磷和重金属等污染物，修复污染水体。然而，水生植物会在秋冬季节腐烂分解后释放体内大量的营养盐类，使水体遭遇二次污染的风险。此外水生植物腐烂分解还可释放大量溶解性有机物（DOM），鉴于水生植物腐烂分解过程释放的DOM分子结构复杂，因此需要综合利用多种分析技术表征不同腐解阶段释放DOM分子结构，为科学评价水生植物腐解对水环境的影响提供基础。.本项目首先利用紫外（UV-vis）和荧光光谱（3D-EEM）对从白洋淀沉积物中提取的溶解性有机物进行分析。由于环境污染的影响表层沉积物中的DOM显示出比较低的芳香性。同步荧光光谱显示出一个非常高的部分是类蛋白质区域。平行因子分析激发发射光谱矩阵发现四个荧光组分出现在沉积物中的DOM里。两个类腐殖酸组分（C1和C2）和两个类蛋白质组分（C3和C4）。研究表明在湖泊沉积物中地球对当地DOM资源的不同的贡献。. 本项目研究内容2：对水生植物修复受污染水体中存在的秋冬季节水生植物腐烂分解、植物体内吸收的污染物存在释放的问题，利用UV-vis、3D-EEM并结合平行因子（PARAFAC）分析法和主成分分析（PCA）法来表征及分析水生植物腐解产物中溶解性有机物（DOM）的组分及其特点。UV-vis的研究表明随着腐解时间的增加，样品中DOM的腐殖化程度逐渐升高，当腐殖化程度达到最高值时，腐解进入矿化阶段，此时腐殖化程度逐渐降低。通过PARAFAC分析可以分离出3种类蛋白组分（C1、C2和C5）和2种类腐殖酸组分（C3和C4）。由PCA可以得出在腐解初期，类蛋白组分占据主导地位；随着腐解时间的增加，类蛋白组分含量逐渐降低，而类腐殖酸组分含量逐渐升高。.本项目研究内容3：借助EEM-PARAFAC来表征大型水生植物分解出DOM，研究其与铜（Ⅱ）和镉（Ⅱ）离子的络合作用。类蛋白质和类腐殖质组分都显著的表现出与铜（Ⅱ）离子的淬灭效果。组分1、5和6与镉（Ⅱ）离子的淬灭效果可以忽略不计。稳定常数和类腐殖质组分与铜（Ⅱ）离子的络合分数受到不同梯度重量的水生植物的影响。大量的有机物质被大型水生植物分解引入水生环境，表明DOM作为重金属离子污染物载体的潜在风险在大型湖泊中不容忽视。.本项目达到预期目标，研究成果有助于更好的利用水生植物对受损水体的生态修复。