富营养化湖泊溶解性有机质的化学结构和关键地球化学过程研究

Dissolved organic matter play an important role in biogeochemical processes and eutrophication of lakes. However, due to its complex chemical composition and limited analytical techniques, its mechanism in various processes of lakes and the relationship with eutrophication are still unclear. A representative eutrophic lake will be chose as our study object, and its dynamic variation rule of chemical composition and structure of DOM before, during and post algae bloom will be systematically clarified by complementary characterization using high-resolution mass spectrometry, nuclear magnetic resonance spectrometry, UV-Vis spectroscopy, fluorescence spectrum and Fourier transform infrared spectroscopy. The more important work is to trace the dynamics of molecular structure in their major biogeochemical processes including degradation and precipitation through complementary characterization. The aim of this work is to illuminate the mechanisms of molecular fractionation during their biogeochemical processes, analyze their difference during algae bloom and finally reveal the transformations and fate in different stages. According to the above work, we then will discuss the interaction between DOM degradation, flocculation sedimentation and their chemical structure and water environment. Therefore, the special chemical functional groups and key water environment factors that determine DOM degradation and sedimentation will be selected, which will provide well prediction for the chemical composition and evolution trend of DOM in eutrophic lakes. These findings will provide new ideas for the understanding and comprehensive management of algae blooms, and also enrich and develop the theory of organic environment and biogeochemistry.

溶解性有机质（DOM）在湖泊各种地球化学过程及富营养化中发挥着十分重要的作用。然而由于其化学组成复杂，分析技术有限，其在湖泊各种过程中的作用机理及与富营养化的关系仍认识不清。项目拟以我国典型的富营养化湖泊为研究对象，将高分辨率质谱、核磁共振等高新技术与传统光谱技术联合运用，系统阐明水华暴发不同阶段DOM的化学组成与结构的动态变化规律；重点运用多种表征手段对其在主要地球化学过程（降解和沉降）中的分子结构变化进行追踪性研究，系统阐明其在该过程中的分子分馏机制及在水华不同发展阶段的差异，揭示其在不同阶段的转化归趋；综合探讨DOM关键地球化学过程与其化学结构、水环境因素之间的相互作用关系，筛选出决定DOM降解与沉降的特征化学官能团和关键水环境因子，进而预测DOM在富营养化湖泊中的化学组成与演变趋势。成果可为富营养化湖泊水华暴发过程的认识及综合治理提供新思路，丰富和发展有机环境与生物地球化学理论。

溶解性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）在湖泊生态系统的能量转化和物质循环中发挥着非常重要的作用。由于其化学组成、来源和过程的复杂性，表征技术的局限性，对其化学结构及环境地球化学过程的认识仍较为有限，尤其对内源DOM化学结构变化及其与富营养化相互作用关系的系统性研究不足。因此，本研究将高新技术方法与传统手段联合运用，对湖泊内源DOM的化学结构、生物地球化学行为及与富营养化的响应关系进行了较为系统的研究。结果表明，（1）植物DOM中易降解组分如糖类和蛋白质含量较高，而活性官能团如酚羟基、芳香基、羰基比例较低。较高的活性有机质比例说明水生植物来源DOM具有较高的生物可利用性。（2）与外源DOM相比，内源有机质具有高脂肪性，低氧化性的特征。FT-ICR-MS与多元统计相结合是挖掘FT-ICR-MS数据潜在信息的重要手段，可为湖泊水体有机质的来源识别研究提供方法上的借鉴。（3）与环境中的腐殖类有机质相比，水生植物来源的DOM以生物降解为主，光降解作用微弱，与金属离子的絮凝能力较差。多糖类物质以生物降解为主，芳香类物质以光降解为主，而酚类物质兼具光降解和生物降解过程。Fe沉降植物DOM的能力高于Al和Ca。不同金属离子与DOM结合的官能团位点不同，Ca优先结合含芳香基、胺基和类羧基的有机质，而Fe、Al除与芳香基、类羧基结合外，还可以与酚类有机质结合。（4）随着营养程度增加，外源有机质的分子特征更为明显，分子特征趋于高腐殖化程度、高芳香性、高不饱和度、大分子量、高含氧量的特征，即外源营养盐入湖是我国湖泊富营养化的主要因素。此外，湖泊营养水平增加促进了内源有机质释放，使得高营养湖泊中内源类脂肪物质增多。总之，高营养水平湖泊中，内源、外源有机质的贡献量均增加，因此在湖泊富营养化管理中应引起重视，应重点控制湖泊外源污染物入湖，同时也不应忽视富营养化湖泊中内源有机质的释放。