潜水含水层地下水中活性氧的分布规律和产生机制

Reactive oxygen species (ROS) widely distribute in the atmosphere, surface water and marine water and plays an important role in the transformation of (hazardous) substances in the environment. Groundwater is an essential part for water and substance cycling, but the distribution and environmental impact of ROS in the groundwater is poorly understood. This study aims to show the distribution of ROS in the groundwater and to unravel the mechanisms for its production. The phreatic aquifer which is most closely related to human activities is chosen for investigation. Hydrogen peroxide is used as the representative ROS because of its relatively long lifetime. We will identify the temporal and spatial distribution of hydrogen peroxide in the phreatic aquifer through field investigations, evaluate the relative contribution of microbial and geochemical processes for hydrogen peroxide production and elucidate the underlying mechanisms through lab experiments, clarify the influences of water table fluctuation and compositions of groundwater and sediments on hydrogen peroxide production, and ultimately assess the oxidizing impact on substance transformation. The output will provide a forceful proof for the existence of ROS in groundwater, and build the fundamentals for understanding the distribution and environmental impact of ROS in subsurface.

活性氧（Reactive oxygen species，ROS）在大气、地表水和海洋水体中广泛分布，并对其中的（有害）物质转化产生重要影响。作为水循环和物质循环的重要组成部分，地下水中ROS分布和环境效应的研究却是一个盲区。本研究的目标在于揭示地下水环境中ROS的分布规律，并阐明其产生机制。我们将聚焦与人类活动关系最为密切的潜水含水层，以寿命相对较长的过氧化氢为代表性ROS，通过野外调查获取潜水含水层地下水中过氧化氢的时空分布规律，通过室内试验评价微生物和地球化学机制对过氧化氢产生的相对贡献，阐释微生物和地球化学作用机理，通过土柱试验探究水位波动以及地下水和含水介质组成对过氧化氢产生的影响，最后简要评价过氧化氢引起的物质氧化效应。研究成果将提供自然条件下地下水中存在ROS的有力证据，为认识ROS在地下水中的分布和环境效应提供理论基础。

活性氧在大气、地表水和海洋水体中广泛分布，并对其中的（有害）物质转化产生重要影响，然而地下水环境中活性氧的相关研究却是一个盲区。本项目通过水文地质学、环境科学和地球化学等学科交叉，研究了潜水含水层地下水中活性氧的分布规律和产生机制。主要研究成果包括：①过氧化氢的分布规律。野外监测结果显示，潜水含水层中过氧化氢的垂向分布与地下水水位波动有关，地下水水位上升期地下水中过氧化氢浓度可达123 nM，而地下水水位持平或者下降时地下水中过氧化氢浓度较小甚至低于检出限。潜水含水层中活性氧的产生规律可以总结为，水动力影响下溶解氧与微生物和还原性物种（主要为二价铁和还原性有机质）的有效接触。②过氧化氢的产生机制。室内研究结果表明粉质沉积物主要通过非生物途径产生过氧化氢，而砂质沉积物中微生物和非生物途径共同贡献过氧化氢的产生。在二价铁-还原性有机质体系中，有机质的存在会影响二价铁活化氧气产生过氧化氢的电子转移途径和效率。③水位波动对地下水中过氧化氢产生效率和机制的影响。我们采用数值模拟方法计算了河岸带含水层中溶解氧补给和过氧化氢产生的规律，发现溶解氧和还原性物质的共存有利于过氧化氢产生，而当溶解氧或还原性物质被消耗殆尽时，地下水中便不能产生过氧化氢。④过氧化氢导致的氧化效应。研究发现沉积物活化氧气产生的羟自由基可以氧化降解污染物苯酚，也可以矿化土壤有机碳为二氧化碳。沉积物中二价铁主要贡献羟自由基产生，并且随着二价铁活性增加，羟自由基的产生效率降低。基于以上结果，我们提出了潜水含水层过氧化氢产生和分布动态的概念模型图。虽然以往研究已经证实氧气进入地下环境可以产生活性氧，但是关于活性氧的分布规律不清楚。因此，本研究的意义在于揭示了潜水含水层中活性氧的分布规律与产生机制，将含水层中活性氧的环境意义限定在特定的时空域。相关成果以第一/通讯作者发表学术论文8篇，其中自然指数期刊论文4篇。