纳米颗粒物:独具特性的地球化学组成

至少一维尺度上小于100 nm的颗粒物均称为纳米颗粒物,在人工纳米颗粒物产生的几十亿年前,地球已经通过其特有的生物地球化学过程合成各类天然纳米颗粒物.这些纳米颗粒物及其次生产物具有独特的理化特性,并参与各种地球化学过程,体现其非凡的地球化学意义.从地球化学的角度,解析了环境纳米颗粒物的定义和分类,重点阐述了风化壳与水体中天然和次生纳米颗粒物的形成,并在天然纳米颗粒物中区分了纳米矿物和矿物纳米颗粒物;同时,也讨论了大气纳米颗粒物的来源、成因与环境影响.该综述列举了目前环境中纳米颗粒物表征与鉴别的技术和方法,重点剖析了纳米颗粒物的地球化学功能和环境意义,并对该领域的研究前沿问题进行了概述.      

大气颗粒物理化特征和影响效应的研究进展及展望

大气颗粒物,尤其是细颗粒物PM_2.5,是有毒和有害物质的载体,对人体健康具有重要的影响,同时大气颗粒物具有吸湿性、光学吸收和散射能力以及云凝结核活性等,对环境和气候变化具有重要的作用,大气颗粒物进一步的长距离输送还会对区域和全球地球化学循环产生重要影响.总结了当前大气颗粒物的物理化学特征研究进展,分析了离线和在线分析技术在大气颗粒物主要组分检测中的应用,阐述了大气颗粒物源解析技术的应用现状,以及由于大气颗粒物污染对环境、气候、人体健康和地球化学循环等产生的影响,最后展望未来大气颗粒物研究的重点问题.      

北京市大气颗粒物中全氟烷基化合物的粒径分布特征

人为排放的持久性有机污染物倾向于在细级大气颗粒物中富集,但目前国内外关于大气颗粒物中全氟烷基化合物(PFASs)粒径分布在不同国家地区有显著差异,而在我国北京地区PFASs在不同粒径大气颗粒物中的富集能力尚不清楚。本文采用五级大流量主动分级采样器采集了北京市大气颗粒物样品,利用超声萃取结合高效液相色谱-电喷雾负电离源串联质谱测定PFASs含量,探讨了该地区大气颗粒物中PFASs的浓度水平和粒径分布特征,以及大气颗粒物浓度变化对PFASs浓度变化的影响。结果表明:研究区∑PFASs范围为10. 1～62. 9 pg/m3,76. 4%～83. 8%的PFASs集中分布在PM2. 5颗粒物中,其中含量较高的PFOA、PFNA和PFDA在0. 25μm细颗粒物中占比最高,分别为26. 3%～43. 7%、30. 3%～68. 6%和30. 6%～49. 7%; PFOS在0. 25μm细颗粒物中没有检出,主要分布在1～2. 5μm和0. 25～1μm颗粒物中。此外,研究发现北京市霾天大气颗粒物中∑PFASs为晴天的3. 5倍,且不同粒径大气颗粒物浓度变化对PFASs各化合物表现出不同的富集能力,其中PFOA、PFOS、PFNA和PFDA等中链PFASs更易富集。     

南昌市降尘颗粒物形貌特征和来源电子探针研究

利用电子探针对南昌市降尘颗粒物的形貌特征和成分进行了分析,并探讨了它们的来源.得出南昌市降尘颗粒物的主要组成为矿物颗粒、钙质颗担以及块状烟尘集合体和燃煤飞灰颗粒.不同功能区的采样点颗粒物的组成有一定差异,表明颗粒物的来源不同.根据颗粒物的来源和分布特点,认为南昌市的城市规划布局不甚合理,尚需进一步改善.     

可吸入矿物细颗粒物与微生物的相互作用

矿物细颗粒物和微生物个体都是大气颗粒物(PM)重要组成部分,它们在形态、共生关系和空气动力学行为上均有高关联度.本文对可吸入颗粒物(IP)和可吸入矿物细颗粒(IMG)的颗粒特性、自由基和生物活性、IP和IMG与微生物相互作用效果的研究现状做了阐述,指出大气颗粒物与微生物的相互作用的重要性.提出今后应重点研究可吸入矿物细颗粒物的环境化学与微生物作用行为,研究IMG-微生物体系近尺寸作用体系中的尺寸效应、界膜作用等对矿物颗粒物表面形态、表面电性、表面基团及自由基等的影响,分泌蛋白质与相变、元素变价、溶解(络合)的关系以及由此引起的颗粒物活性和生物毒性的变化等.     

水体悬浮颗粒物主要组分的萃取分离及重金属的分布特征

为了考察悬浮颗粒物中主要组分对重金属的富集作用,采用选择性萃取法分离长春市伊通河和南湖悬浮颗粒物中的铁、锰氧化物,优化了萃取条件,测定了悬浮颗粒物中的铁、锰氧化物和有机质等组分中富集Cu,Pb和Zn的含量,分析了上述3种重金属在悬浮颗粒物主要组分中的分布特征。结果表明,0.006 mol/L NH2OH.HCl 0.01 mol/L HNO3萃取30 min可以单独萃取悬浮颗粒物中大部分的锰氧化物,0.8 mol/L Na2S2O4(pH=6.0)萃取40 min可以同时萃取铁、锰氧化物,而对非目的组分的影响较小;悬浮颗粒物对Cu、Pb、Zn重金属有明显的富集作用,其中Cu主要结合在悬浮颗粒物的有机质组分中,Pb主要富集在铁、锰氧化物中,锰氧化物和有机质对Zn的分布起主要的富集作用。     

西安市灰尘循环模式及搬运沉积

城市灰尘的搬运沉积方式与其粒径组成密切相关.一般说来,粗颗粒物多以滚动方式搬运;中细颗粒物多以跳跃方式搬运;极细颗粒物多以悬浮方式搬运.西安市灰尘颗粒物主要来源于以跳跃方式搬运的中远距离颗粒物,其次为以滚动方式搬运的近源颗粒物,而以悬浮方式搬运的远距离颗粒物约占12%.     

贵州阿哈湖物质循环过程中的铁同位素地球化学及其指示意义

使用AGMP-1氯化物型阴离子交换树脂(100--200目)对夏季贵州阿哈湖流域水体悬浮颗粒物等样品进行了化学分离,并在多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)上进行了铁同位素分析.分析结果表明,夏季阿哈湖湖水分层期间湖水悬浮颗粒物及各端员环境样品的铁同位素组成变化较大:湖水悬浮颗粒物的δ56Fe为负值,分布范围为-1.36‰～-0.10‰之间;各支流河水悬浮颗粒物的铁同位素组成在-0.88‰～-0.16‰之间;大气颗粒物的平均铁同位素组成为 0.06‰±0.02‰;而未经化学清洗的浮游藻类的铁同位素组成为 0.08‰.对比研究表明,湖水悬浮颗粒物的铁同位素组成不仅受各输入端员的影响,湖泊内部复杂的生物地球化学过程也对颗粒物的铁同位素组成产生了重要影响.陆源输入的颗粒有机结合态铁使得湖泊表层悬浮颗粒物的铁同位素组成偏低,而大气沉降颗粒物和湖泊表层的浮游藻类整体上对铁同位素组成的影响并不显著."ferrous wheel"铁循环对于氧化还原界面附近水层中铁同位素的重分配起到了主要的控制和影响作用.δ56Fe值与Fe/A1呈现良好的负相关关系,也显示出活性铁的循环迁移是造成氧化还原界面附近水层中悬浮颗粒物的铁同位素组成变化的重要原因,表明铁同位素与Fe/A1可能可以作为表征水体生物地球化学环境的良好指标.     

大气微纳米颗粒物界面反应与矿物协同演化意义

综述了大气气溶胶颗粒物的特征、颗粒物的界面反应与矿物协同演化意义;重点介绍了大气颗粒物粒径分布和矿物成分,以及常见有毒有害气体的界面反应产物特征与关键化学过程;总结了矿物颗粒在大气气溶胶形成过程中汇聚、调控、催化的作用,以及颗粒物与大气中SO₂、NO_x的协同反应机制;分析了微纳米颗粒对二次有机气溶胶形成的影响,以及大气矿物相颗粒界面反应产物组合及协同演化作用.可为进一步研究大气颗粒物与大气中痕量污染气体反应形成二次气溶胶进而影响大气化学组成的过程提供指导,对深入探讨大气矿物颗粒表面特性在复合污染物中多介质反应的微界面化学过程,矿物尘-污染物气溶胶体系在雾-霾形成、转换、新生粒子和阻断行为的复合作用具有重要的环境学意义.      

广州市空气颗粒物中烃类物质的粒径分布

用 Andersen六段分级大流量采样器 (粒径为 : 10～ 7.2 μ m, 7.2～ 3.0 μ m, 3.0～ 1.5 μ m, 1.5～ 0.95 μ m, 0.95～ 0.49 μ m, ≤ 0.49 μ m)采集了广州市荔湾区 4个季度的大气颗粒物样品 , 用气相色谱 (GC)定量分析了其中的正构烷烃 (n-alkanes)组分,用气相色谱-质谱 (GC-MS)定量分析了其中的多环芳烃 (PAHs)组分. CPI2(代表石油成因的碳优势指数 )、 CPI3(代表生物成因的碳优势指数 ) 和 Wax(植物蜡含量 )表明了石油成因的烷烃倾向于富集在细颗粒物上,而生物成因的烷烃倾向于富集在粗颗粒物上.正构烷烃和低相对分子质量多环芳烃表现出双峰模型分布,高相对分子质量多环芳烃呈现单峰模型分布,仅在细颗粒段有一峰值.烷烃和芳烃秋冬季的 MMDs(质量中值直径 )比春夏季的大.在高温季节化合物优先富集在细颗粒物上,而在低温季节则向粗的颗粒物方向偏移.     

Biogeochemical Model and Simulation of the Effect of Precambrian Algae on the Formation Process of Certain Laminated Cherts

The source of silica in the formation of the Precambrian laminated cherts has long remained a problem to be solved. Through experiments on cherts and living blue-green algae, the authors found that the collected chert samples probably come from primary deposits, and there is a great biomass of fossil algae in chert, among which the filamentous algae can be compared with the living blue-green algae Oscillatoria, that a higher Pco_2 of the gas would be favourable for the increase of the biomass of living blue-green algae and consequently raises the pH value of the water body; and that lack of free oxygen and a higher concentration of SiO_2 in the water have no apparent influence on the biomass of blue-green algae. Based on the evidence above, a biogeochemical model concerning the origin of Precambrian laminated chert has been set up, in which the. photosynthesis of algae under the presumed atmospheric conditions of the Precambrian might raise the pH value of the water body and promote the dissolution of silicate minerals, thus providing a source of colloid SiO_2 for the formation of Precambrian laminated chert.Furthermore, a simulation experiment device has been designed successfully, which can control the temperature(30 ± 0.5°), Pco_2(50662.5 Pa) and Po_2(about zero Pa) of the gas, the rate of photosynthesis of algae and the movement of the water carrying opal. In the simulation experiments, separate measurements have been made on the rate of photosynthesis of algae, pH value and concentration of SiO_2 of the water body, with the results indicating that under the conditions similar to the presumed Precambrian atmosphere, the photosynthesis of algae can make the pH value of the water body go up steadily to over 9.7, leading to the dissolution of the silicate minerals, with the concentration of SiO_2 measured reaching as high as 84 mg/l. Finally, through the vaporation of water, a phenomenon of colloid floccilation has been observed.The simulation experiment has verified the proposed biogeochemical model illustrating the origin of Precambrian laminated chert. Moreover, the device and method of its kind may also be applied to the research on the relationship of the Precambrian algae with the formation of some other mineral deposits such as of Fe, Mn, U and carbonates.     

太湖水体吸收系数与散射系数的特征研究

湖泊水体光学特性是进行湖泊水体光学及水体光学遥感研究的基础。计算了太湖冬、夏季水体的吸收系数和散射系数,并在分析水体吸收特性的基础上对水体的光学类型进行了分类。结果表明:冬季太湖水体的光学类型属PY型(悬浮粒和黄质共同作用型),即水体的吸收特性受悬浮质和黄质的共同作用,而夏季则属CPY型(浮游藻类、悬浮粒和黄质共同作用型),即水体的吸收特性受悬浮质、黄质和浮游藻类三者的共同作用;不论冬季还是夏季,非色素悬浮粒是影响太湖水体散射特性的主要因子。     

Measured and modeled effects of benthic algae on eutrophication in Indian River-Rehoboth Bay, Delaware

A combination of field studies and mathematical modeling was used to examine the role of subtidal benthic algae in the eutrophication processes in two shallow estuarine systems. Field measurements indicated uptake by benthic algae retained ammonium and phosphate in the sediments when light at the sediment surface exceeded ≈150 μE m² s^?1. The measurements were used to calibrate a newly developed model of benthic algal activity. The benthic algal model was coupled with a hydrodynamic model, a eutrophication model, and a sediment diagenesis model. In the simulated ecosystem, benthic algae had a major influence in the intra-annual cycling of nitrogen and phosphorus. When nutrients were abundant in the water column (late winter and spring) they were transferred to the sediments through algal activity. Diagenesis released these nutrients to the water column in summer when nutrients were scarce. As a result of the nutrient transfer, annual primary production in the water column, in the presence of benthic algae, exceeded production in the absence of the algae.     

悬浮泥沙对藻类生长影响的实测与分析

通过对长江下游镇扬段的牛轭湖—内江的泥沙、水质、光强、藻类等进行现场监测和数据分析,探讨了内江悬浮泥沙对水下光强的衰减规律以及对藻类生长的影响。结果表明:内江水体中存在80%以上的粒径小于75μm的微细悬浮颗粒,其中不易沉降的粘土颗粒占到20%～50%左右,枯水期平均含量为40 mg/L,丰水期平均含量为70 mg/L,而藻细胞生物总量基本都在100万个/L以内,其中绿藻、硅藻为优势种。数据分析表明:泥沙对水下光强的衰减遵循指数函数衰减规律,光衰减系数与泥沙含量呈较好的线性相关性,内江的优势种绿藻、硅藻的生物量与泥沙含量呈显著的指数相关。认为,泥沙通过衰减光强间接地抑制藻类繁殖,这一抑制作用可以由泥沙含量和藻细胞密度之间的关系进行定量。     

洪湖特色水产品对湖水及沉积物中有机氯农药的积累模式

对洪湖水体、表层沉积物和特色水产品(鲫鱼、莲藕等)进行了调查采样,采用美国EPA方法进行了有机氯农药的提取,用带有电子捕获器的气相色谱(GC-ECD)进行了有机氯农药含量的测定.结果表明:六六六和滴滴涕各异构体在湖水、表层沉积物、特色水产品中绝大部分都有检出,湖水中六六六和滴滴涕的质量浓度远低于其在表层沉积物和特色水产品中的质量分数,这与有机氯农药疏水亲颗粒和溶脂性的特性有关.以分配系数、生物积累因子和生物区系-底泥生物积累因子为基础,建立了洪湖特色水产品对水体及表层沉积物中有机氯农药的积累模式,所得结果能够为洪湖湿地保护与生态恢复措施的决策与制定提供科学依据.     

A mathematical model of the brown tide

A differential equation model is proposed for “brown tide” algae blooms in the coastal waters of Long Island which provides a plausible mechanisms for the underlying dynamics. Growth rates depend on annual variations in temperature and salinity. The maximum population density is effectively limited by the availability of a favorable concentration of nutrients, together with zooplankton grazing. Salinity depends on rainfall while nutrient concentration is influenced by tidal flushing. The first of these factors is aperiodic, the second periodic, in time. The resulting nonlinear model distinguishes between ‘fast’ algae growth and ‘slow’ long-term changes in nutrients and salinity. Because of this one can show that explosive increases of algae densities will occur infrenquently at sporadic intervals. Computer trials with the model appear to replicate many, if not all, the essential features of the observed bloom.     

气相色谱-质谱法快速测定罗氏海盘车中6种邻苯二甲酸酯类有机污染物

建立了气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)测定罗氏海盘车中6种邻苯二甲酸酯类化合物(PAEs)的方法,采用丙酮-正己烷混合溶剂超声提取,通过中性氧化铝和弗罗里硅土填装层析柱净化样品,选用HP-5MS毛细色谱柱分离,选择离子监测模式(SIM)进行定性定量。该方法能同时分离测定罗氏海盘车中邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二正丁酯、邻苯二甲酸丁基苄酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、邻苯二甲酸二正辛酯等6种邻苯二甲酸酯类化合物。在优化条件下,方法标准曲线的相关系数为0.9975～0.9996,回收率为80.30%～119.00%,精密度(RSD,n=7)为2.2%～5.7%,方法最低检出限为10.00 ng/g。运用建立的方法对罗氏海盘车样品进行分析,检测出罗氏海盘车中含有邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸二正丁酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯3种污染物,3种污染物含量均低于欧盟的限量标准,同时远低于其他各类食品中的检出含量,样品中邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯平均含量偏高。本法具有高的选择性、灵敏度和准确度,适用于罗氏海盘车中痕量PAEs的测定,为保护海洋环境及海洋资源开发提供技术支持。     

西藏班戈错水菱镁矿藻类成矿实验及其成因分析

目前关于天然水菱镁矿的形成认识主要有蒸发沉积成因和生物成因两类。前人在室内成功制备出水菱镁矿矿物,证实了该矿物的无机成因理论,但是实验结晶条件明显高于西藏班戈错的寒冷气候条件和水化学条件,并且班戈错湖水通过自然蒸发结晶也难以形成水菱镁矿矿物,而这一认识与周边阶地上正在形成水菱镁矿的现象相矛盾。因此,自然蒸发沉积可能不是现阶段班戈错水菱镁矿的主要形成过程,而已有研究表明,藻类具备诱导形成碳酸盐矿物的能力,本文利用西藏班戈错Ⅲ湖湖水及其藻类开展室内模拟实验,并与无藻类的湖水自然结晶结果相对照,探讨藻类生命活动与班戈错水菱镁矿的成因联系。研究发现,藻类不仅能够适应高盐度盐水环境（矿化度117.3 g/L）,并且在其光合作用过程中还能显著提高周围水体pH值（最高可达10.564）,诱导并促进球碳镁石在藻类网状节点处结晶沉淀,该矿物进一步脱水即能够形成水菱镁矿矿物;而人为提高班戈错Ⅲ湖湖水Mg2+浓度也仅能结晶形成三水菱镁矿矿物,无球碳镁石或水菱镁矿结晶析出。因此,西藏班戈错水菱镁矿的形成过程与藻类生物成矿作用密切相关,但是有关球碳镁石向水菱镁矿转变的具体条件以及藻类成矿作用的具体分子机制仍不清楚,有待于进一步研究。     

西藏班戈错水菱镁矿藻类成矿实验及其成因分析

目前关于天然水菱镁矿的形成认识主要有蒸发沉积成因和生物成因两类。前人在室内成功制备出水菱镁矿矿物,证实了该矿物的无机成因理论,但是实验结晶条件明显高于西藏班戈错的寒冷气候条件和水化学条件,并且班戈错湖水通过自然蒸发结晶也难以形成水菱镁矿矿物,而这一认识与周边阶地上正在形成水菱镁矿的现象相矛盾。因此,自然蒸发沉积可能不是现阶段班戈错水菱镁矿的主要形成过程,而已有研究表明,藻类具备诱导形成碳酸盐矿物的能力,本文利用西藏班戈错Ⅲ湖湖水及其藻类开展室内模拟实验,并与无藻类的湖水自然结晶结果相对照,探讨藻类生命活动与班戈错水菱镁矿的成因联系。研究发现,藻类不仅能够适应高盐度盐水环境（矿化度117.3 g/L）,并且在其光合作用过程中还能显著提高周围水体pH值（最高可达10.564）,诱导并促进球碳镁石在藻类网状节点处结晶沉淀,该矿物进一步脱水即能够形成水菱镁矿矿物;而人为提高班戈错Ⅲ湖湖水Mg2+浓度也仅能结晶形成三水菱镁矿矿物,无球碳镁石或水菱镁矿结晶析出。因此,西藏班戈错水菱镁矿的形成过程与藻类生物成矿作用密切相关,但是有关球碳镁石向水菱镁矿转变的具体条件以及藻类成矿作用的具体分子机制仍不清楚,有待于进一步研究。