高砷地下水系统有机物单体同位素特征及生物地球化学意义

High arsenic groundwater has been found worldwide, which is one of the biggest environmental issues. One of the important mutual characteristics is high contents of organic matter in high As groundwater systems. However, it is unclear how compound-specific stable isotopes occur in natural organic matters of high As groundwater system and what their implication indicates biogeochemical processes of arsenic mobilization. This study will systematically investigate organic matter contents, molecular compositions, functional groups and compound-specific stable isotopes in sedimentary organic matter and dissolved organic matter. Characteristics and origin of organic matter will be revealed, and biomarkers of high arsenic groundwater systems will be identified. Based on microcosm incubation, fractionation of compound-specific stable isotopes, biological transformation paths of biomarkers and kinetic mechanisms of biogeochemical processes for arsenic mobilization will be evaluated. Organic matter, biomarkers, compound-specific stable isotopes, As, Fe concentrations will be investigated in natural groundwater flow-hydrogeological unit and human-disturbed groundwater flow-hydrogeological unit. Effect of groundwater flow patterns on biomarkers, compound-specific stable isotopes, biological transformation paths and biogeochemical processes will be assessed. Biogeochemical tracing, effects and constrains on arsenic mobilization will be delineated using compound-specific stable isotopes of biomarkers in groundwater systems. The project will broaden the method of groundwater biogeochemical study, and enrich the theoretical achievement of arsenic transfer and transportation in groundwater systems.

高砷地下水在全球范围内广泛分布，是一个世界性重大环境问题。高砷地下水系统的一个重要共同特点是有机物含量高。然而，高砷地下水系统有机物的单体同位素特征及其生物地球化学意义却不清楚。本项目将系统研究高砷地下水溶解性有机物和含水层沉积物有机物的含量、分子组成、官能团特征和单体同位素组成，揭示地下水下系统有机质的来源和特征，识别高砷地下水系统中的生物标志物；并通过室内微环境实验，揭示有机单体同位素的分馏规律、生物标志物的生物转化途径和砷释放的生物地球化学动力学机制；通过研究天然流场中和人为扰动下地下水流场中有机物、生物标志物、单体同位素、As、Fe等演化规律，揭示流场变化对生物标志物、单体同位素、转化途径及生物地球化学效应的影响，探讨地下水系统中生物标志物单体同位素的生物地球化学标识、效应及其对砷循环的控制机制。项目将拓展地下水生物地球化学研究领域的方法和思路，丰富地下水系统砷迁移转化的理论成果。

高砷地下水在全球范围内广泛分布，是一个世界性重大环境问题。然而，高砷地下水系统有机物的分子特征、单体同位素特征及其生物地球化学意义却不清楚。本项目利用先进的高分辨率质谱（FT-ICR-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、原位超滤等技术，系统分析了地下水和含水层沉积物中有机物的分子特征、脂类有机物的分布模式及单体碳同位素特征等。结果表明，地下水中大分子有机物通过砷-铁-类腐殖质的络合反应促进砷的富集，而易降解的小分子有机物通过驱动含砷铁氧化物的还原性溶解促进沉积物中砷的释放；地下水和含水层沉积物中脂类有机物的明显差异，细砂中的脂类有机物主要为陆生高等植物、微生物和石油混合起源，地下水中脂类有机物主要为微生物起源和沉积有机物降解产物；短链脂类组分与长链脂类组分单体碳同位素千分偏差值的差异在高砷含水系统中明显大于低砷含水系统，表明短链脂类组分在高砷地下水系统中发生了更为显著的降解；地下水系统中溶解性有机物和沉积物有机物的生物指数越高、类蛋白质成分和微生物来源成分占比越大，有机物驱动含砷铁氧化物的还原性溶解越显著，地下水砷浓度也越高；沉积物中独有的生物活性有机分子越多，地下水砷含量越高，沉积物活性有机分子向地下水中扩散是促进砷释放的关键环节。以上成果明晰了高砷地下水中有机物的来源和对砷富集的驱动机制，不仅拓展地下水生物地球化学研究领域的方法和思路，而且进一步丰富了地下水系统砷迁移转化的理论体系。