高砷地下水溶解性有机物特征及其对砷的生物地球化学作用机理

原生高砷地下水是一个世界性的重大环境问题。本项目研究，将针对高砷地下水溶解性有机物（DOM）成分复杂、来源不明及其对砷的迁移转化作用独特等特点，探讨溶解性有机胶体、真溶液的分布规律，深入研究不同粒级有机胶体、真溶液对不同价态砷的竞争吸附、不同赋存形态砷的氧化还原等作用模式，揭示DOM对砷水文地球化学过程的作用机制；利用不同性质DOM作为有机碳源，研究土著微生物作用下DOM、不同价态砷、不同赋存形态砷随时间的变化规律，探讨DOM对砷生物地球化学作用的动力学过程和机理；基于此，通过精确表征典型水文地质单元中不同来源DOM的特性、碳同位素组成以及地下水不同价态砷和含量等，揭示不同来源和性质的DOM对砷的生物地球化学效应，探讨不同DOM作用下高砷地下水的富砷机理。其成果不仅可丰富和提高原生地下水系统砷迁移转化的研究水平，而且为高砷浅层地下水系统的开发利用和地方性水砷中毒的防治提供科学理论依据。

原生高深地下水是一个世界性的重大环境问题。地下水溶解性有机物被认为是地下水砷活化的导火索。本项目研究针对高砷地下水溶解性有机物（DOM）成分复杂、来源不明及其对砷迁移转化作用独特等特点，探讨了地下水有机-无机胶体、真溶液的分布规律及其对砷迁移转化的影响，发现大颗粒无机胶体结合砷的能力有限，对砷迁移的影响较小，而细颗粒有机胶体（5 kDa -30 kDa）结合砷的能力强，可影响砷的迁移。深入研究了溶解性有机物对不同形态砷竞争吸附、氧化还原状态等的影响。揭示了含水层沉积物中有机物的来源、特性及其生物可利用性、土著微生物的特征及功能微生物的生物地球化学特性，表明沉积物中有机物主要来源于高等植物，砂层沉积物中含有石油起源的成熟有机质；好氧和厌氧土著微生物均具有一定的耐砷性能，且均具有砷还原功能基因。探讨了功能微生物在DOM存在时对不同赋存态砷、铁的生物地球化学动力学过程和机理，结果表明，好氧耐砷菌既能还原溶解态As(V)，也能还原吸附态As(V)，还能还原结晶态As(V)，厌氧耐砷菌除了能够还原不同赋存态As(V)以外，还能还原不同赋存态的Fe(III)，还原过程均符合一级反应动力学模型。在对典型水文地质单元的DOM、碳同位素组成以及不同价态砷和含量等进行精确表征的基础上，揭示了DOM对砷的生物地球化学效应。研究表明，从补给区到排泄区，随着水流速度的变缓，粘土层厚度变大，地下水中溶解性有机碳的增多，微生物降解对无机碳贡献的增大，δ13CDIC逐渐降低，地下水中的Fe、As（生物）水文地球化学过程逐渐由Fe(II)-As再吸附，过度到Fe(III)的异化还原-砷释放，最后到黄铁矿及菱铁矿沉淀-As的共沉淀。这些成果不仅丰富和提高了原生地下水系统砷迁移转化的研究水平，而且为高砷浅层地下水系统的开发利用和地方性水砷中毒的防治提供科学理论依据。