高原喀斯特湖库中藻源有机物对消毒副产物的生成路径影响研究

Algal organic matter (AOM) from eutrophication reserviors not only can cause severe interference during water treatment processes but also enhance the risky of drinking water safety. The eutrophication mechanism of lakes or reservoirs from east part of China (non-karst region) was mainly due to the excessive loading of nitrogen and phosphorus inputs. However, in karst region, the rise of dissolved inorganic carbon (DIC), Ca2+, and Mg2+ levels may further lead to the change and redistribution of halogen reaction sites in AOM molecules, which may attributed to the special geographical conditions and material circulation characteristics in natural waters. In this project, carbonate dissolution effect on chemical characteristics of AOM variation and disinfection by products (DBPs) formation pathway will be thoroughly investigated in Aha Lake-a representative karst plateau reservoir in Guiyang, SW China. In details, temporal and spatial variations of DIC, Ca2+, and Mg2+ under different hydrological cycle will be studied carefully by field observation method. In addition, the fraction of AOM, chemical functional groups, molecular weight distribution, and protein vs. lipid contents in extracellular organic matter and intracellular organic matter will be tested by laboratory routing analysis. Finally, chlorination of AOM and its protein/lipid surrogates will be studied to further explore DBP formation mechanism. Results will provide the evidences on controlling eutrophication and strategies to protect drinking water safety in karst plateau reservoirs.

富营养化水体中的藻源有机物（AOM）不仅对水处理工艺造成了严重的干扰，而且加剧了给水的安全风险。区别于我国东部湖泊氮、磷的输入对水华爆发规律的主要影响机制，喀斯特地区的特殊地理地质条件和物质循环特征，例如碳酸岩盐溶蚀效应引起的溶解性无机碳（DIC）、Ca2+和Mg2+的浓度水平提升，可能进一步改变AOM中卤代活性点位的分布。针对此问题，本项目以高原喀斯特地区贵阳市阿哈水库为研究对象，拟深入研究碳酸盐岩溶蚀效应对湖库优势藻种AOM的化学特征和消毒副产物（DBPs）生成路径影响。采用野外监测手段重点分析湖库不同水文周期DIC、Ca2+和Mg2+的时空分布变化规律，然后以室内模拟实验研究在不同生长周期下AOM的组成、分子量分布、官能团结构、DBPs主要前驱物蛋白质和磷脂的化学特征变化，最终揭示氯化条件下DBPs的生成路径。研究结果能为高原喀斯特湖库的富营养化控制和饮用水安全的保障提供理论依据。

富营养化水体中的藻源有机物（AOM）不仅对水处理工艺造成了严重的干扰，而且加剧了给水的安全风险。区别于我国东部湖泊氮、磷的输入对水华爆发规律的主要影响机制，喀斯特地区的特殊地理地质条件和物质循环特征，例如碳酸岩盐溶蚀效应引起的溶解性无机碳（DIC）、Ca2+和Mg2+的浓度水平提升，可能进一步改变AOM中卤代活性点位的分布。本研究主要以典型喀斯特高原水库（阿哈水库）为研究对象，依托现场采样测得的理化指标和生物指标，获得室内试验的水质模拟参数和代表性藻类，通过“离心+反复冻融”法将普通小球藻AOM分离为胞外有机物（EOM）和胞内有机物（IOM）。主要通过光学参数表征，探究全生长期普通小球藻EOM和IOM及其组分的特征，并由模拟氯消毒和相关性分析，解析其与氯化DBPs生成势的关系。研究结果表明： EOM&IOM亲水性物质多，且衰亡期占比最小。随微藻生长，EOM芳香性和疏水性物质增加；IOM在对数期和平稳期芳香性最强。加氯消毒后，DBPs生成潜能因物质不同有所差异。EOM&IOM生成C-DBPs量最多（三氯甲烷为主），三氯硝基甲烷和三氯乙腈生成量少。EOM衍生DBPs生成潜能远小于IOM产生的副产物生成潜能。且EOM衍生DBPs生成潜能于适应期最大，IOM衍生DBPs生成潜能表现为对数期大。此外，EOM和IOM荧光组分来源不同，IOM的两个荧光组分与芳香物质有关。除了三氯甲烷，AOM经氯化后形成的5种DBPs间均存在显著相关性（p<0.01）。EOM衍生三氯甲烷与SMP和腐殖酸有关；IOM衍生三氯甲烷与腐殖酸有关。因此，需要重视Ca2+和Mg2+、DIC的介入对AOM化学特征的影响和对消毒副产物生成路径的改变。研究结果能为高原喀斯特湖库的富营养化控制和饮用水安全的保障具有重要的理论和现实意义。依托该项目到目前在领域内重要期刊上共发表学术论文13篇，获得授权发明专利1项，软件著作权2件，培养研究生6名，提升职称1人。