应用近红外光谱法研究泻湖湿地沉积物重金属活动态特征及生态风险评价

沉积物中的重金属元素经自然作用下可以活动态进行迁移,具有潜在生物可利用性及潜在的区域生态风险。利用近红外光谱(NIRS)技术开展不同基体类型样品响应机理研究,可为评估重金属活动态提供无损、快速的分析方法,为生态风险研究提供依据。天津七里海泻湖湿地沉积物具有低有机质-高黏土含量的特征,本文基于近红外光谱分析技术,建立了沉积物中Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb重金属活动态组分含量近红外光谱-偏最小二乘回归预测模型。实验结果表明:样品在7290～6390cm~(-1)和4683～4000cm~(-1)波段存在的双羟基O—H伸缩振动、AlAl—OH及Al(Mg)—OH弯曲振动特征吸收,间接指示了重金属元素活动态含量。光谱预测结果显示,近百年来七里海沉积物中Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb活动态组分的变化特征对应了当地1934—1948年、1956—1963年、1976年至今三次较明显的升温过程,也对应了1980年七里海水库建设等大型人为扰动。本研究样品中Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb总量及活动态均低于国家标准中规定的生态风险阈值,七里海内村镇及周边农田来自湿地释放的重金属生态风险极低。     

湖泊体系中长链烯酮研究进展

长链烯酮不饱和度(Uk37)作为定量反映古温度变化的重要替代指标,已在海洋中得到广泛应用,但在湖泊中长链烯酮不饱和度与温度的关系及其母源研究则很少.课题组研究了中国不同气候带、不同水化学环境湖泊表层沉积物中长链烯酮,发现多数湖泊中存在2~4个不饱和键的长链烯酮,首次报道硫酸盐型湖泊中存在长链烯酮,总结了湖泊中长链烯酮的分布模式,探讨了分布模式与环境、母源的关系.研究了湖泊长链烯酮不饱和度与温度的关系,发现湖泊长链烯酮不饱和度与年均气温和春秋季节温度高度相关,建立了中国湖泊表层沉积物中长链烯酮不饱和度与温度的经验函数关系,结合文献中发表的数据,建立了从热带的北缘湖光岩玛珥湖到北极的格陵兰的湖泊沉积物中长链烯酮不饱和度与温度的经验函数关系:Uk37=0.031×T+0.094(n=76,r2=0.67).首次发现并成功分离出湖泊中长链烯酮母源等鞭金藻Chrysotila lamellosa,通过单藻种控温培养,建立长链烯酮不饱和度与水温关系方程,实验室培养公式与经验公式斜率一致,验证了长链烯酮不饱和度温标,表明长链烯酮是可靠的陆地温标.     

生物膜作用下沉积物-水界面溶液中pH和磷含量变化

采集城市排污水渠中的沉积物样品和底栖生物样品,应用微电极原位pH测量技术测量沉积物-水界面溶液的pH值,电感耦合等离子体发射光谱法测定沉积物提取液中上覆水和空隙水中生物可利用磷的含量,研究了沉积物表面的生物膜对城市河流沉积物-水界面微环境中pH值和磷含量的影响。研究表明沉积物表面的生物膜由藻类(蓝藻门颤藻属Oscillatoria和硅藻门的菱形藻Nitzschia)和微生物组成,由于藻类的光合作用和微生物作用,沉积物空隙水中的溶解氧和CO2发生变化,因而改变了界面附近的pH值、氧化还原电位等物理化学条件,同时改变了界面附近溶液中磷的浓度和浓度梯度。在生物膜作用下,剖面中空隙水的pH和pH变化梯度、磷的浓度和浓度梯度高于非生物作用条件下。磷在生物藻垫的空隙水中高度富集。在生物膜存在情况下,在空隙水中形成了与非生物作用下相反的pH值和磷浓度的耦合关系。无生物作用的沉积物空隙水中pH越偏离中性,沉积物中磷的释放量增加,空隙水中磷含量增加;在生物膜作用下,pH由弱酸性向中性变化时,沉积物中磷的释放量增加,空隙水中磷含量增加。依据界面附近pH值和磷的变化规律,可以将沉积物-水界面附近的生物作用分为生物膜的固定作用区和攫取作用区。     

浙江南部近海沉积物柱状样中脂类生物标志物的组成及形态分布

湖泊沉积物中直链脂肪族化合物(MCCs)对气候变化响应敏感,环境条件的变化可促使MCCs在游离态和结合态间发生转化,是古气候重建的重要生物标志物。以往研究中对样品前处理通常采用混合溶剂提取法得到MCCs游离态组分,而以化学键合、物理吸附等形式赋存的结合态组分无法通过溶剂提取,不能获取结合态组分特征对气候环境变化的指示信息。本文将热裂解这一有机质高效分解技术与气相色谱-质谱(GC-MS)联用,实现了对内蒙古伊和沙日乌苏湖泊沉积物有机质组成的精细刻画,并识别、分析了共计3类、71项结合态MCCs化合物。结果表明：热解温度是影响热裂解-气相色谱-质谱(Py-GC/MS)分析沉积物样品中结合态MCCs分布特征的主要因素,450℃以下热解能量较低导致结合态MCCs解析不充分,550℃和650℃下各类结合态MCCs(含正构烷烃、正构烯烃及α-正构脂肪酮)充分解析,可经GC-MS实现在线分离、识别;随着热解温度升高,裂解产物中MCCs平均链长趋于降低,过高的裂解能量影响了产物中MCCs化合物链长特征对气候变化指示的敏感性。经研究各类MCCs分布特征发现,550℃下正构烷烃平均链长特征与传统气候替代指标游离态正构烷烃单体碳同位素δ¹³C_27~33具有较好的相关性(R=0.83)。结合态正构烷烃ACL_25~31指标响应了区域有效降水变化特征,识别了区域内5.6ka、3.9ka前后的干旱期,反映了东亚夏季风强度变化,对应了北半球中纬度有效降水变化。

     

1200年来湖光岩玛珥湖高分辨率元素地球化学记录

本文运用同步辐射X射线荧光光谱原位微区分析方法对湖光岩玛珥湖湖泊沉积物进行了分析,以核素测年(137Cs、210Pb和AMS 14C)数据为时间标尺,获得了1200年来Ti、Fe、Cu、Zn、Rb和Br等元素含量的高分辨率数据.Br元素含量与当地气象记录降水量变化大致呈正相关,可能说明区域降水是Br元素含量变化的主要影响因素.对1200年来Br元素含量的谱分析结果表明,Br元素含量变化的准周期分别为:1.5a、1.9～2.0a、2.1～2.6a、2.9～3.0a、374～442a和221～256a.其中,年际准周期变化可能与厄尔尼诺相关,而百年尺度的变化可能与太阳活动有关.从Ti元素含量与器测数据对比来看,Ti元素含量较高的时期也对应于降水量较大的时段,降水增加可能有利于碎屑物的搬运,但植被覆盖度、粒度效应等因素对沉积物中Ti元素存在正-负反馈机制.     

新疆天山黄土GDGTs重建的全新世温度逐步升高及其可能意义

全新世温度变化是理解现代变暖和预测未来温度变化的重要依据,但目前根据地质记录重建的温度变化趋势与气候模拟重建的温度变化趋势存在显著矛盾。依据已经建立了可靠年代的新疆天山北麓鹿角湾全新世黄土-古土壤序列（LJW10剖面）,选取4个重要时段的黄土-古土壤样品,开展支链GDGTs（br-GDGTs）测量,采用国际上新提出的GDGTs分析方法和MBT'_5ME指标,重建了该剖面全新世以来年均温度变化的初步框架。结果发现,采用新的MBT'_5ME指标重建的表层样品的温度更接近现代气象记录的实际温度,利用国际新的GDGTs分析及计算方法重建的全新世温度自早全新世以来逐步升高,与已有气候模拟重建的全新世温度变化趋势一致。应当指出的是,本文只是使用新GDGTs分析方法和MBT'_5ME指标重建全新世温度变化的初步探讨,今后不但需要开展研究方法的进一步探讨,而且需要开展更高时间分辨率和不同区域黄土-古土壤记录的GDGTs温度重建研究。     

尿素络合法分离-气相色谱/同位素质谱法分析土壤和植物中低含量(ppm级)正构烷烃的碳同位素

尿素络合法和5A分子筛法是常用的分离富集环境样品中正构烷烃的方法,但由于复杂的处理流程对于低含量正构烷烃的回收率普遍较低。本文通过优化尿素络合法分离富集正构烷烃的实验条件,建立了尿素络合法分离-气相色谱/同位素质谱分析土壤和植物中低含量正构烷烃单体碳同位素的方法。即采用正己烷-丙酮溶解样品,在4℃冰箱中与2 m L尿素-甲醇饱和溶液反应48 h;用去离子水溶解尿素络合物,加入正己烷后分离出有机相和水相,分别用正己烷、丙酮-正己烷萃取有机相和水相中的正构烷烃。中长链正构烷烃的回收率达79%~104%,高于5A分子筛法和已有尿素络合法的富集效果;单体碳同位素的分析精度为0.09‰~0.63‰(1σ)。利用改进的方法分析实际样品,大幅降低了未分峰和共流出物的干扰,提高了实际样品中ppm级中长链正构烷烃的回收率。     

同步辐射技术在高分辨率古气候、古环境变化中的应用

随着古全球变化研究的深入,理解快速古气候变化的过程及机制正成为学术界关注的关键问题。同步辐射Ⅹ射线荧光原位无损分析是近年来发展起来的新方法。本文简单介绍了同步辐射技术,指出在分辨率和分析灵敏度方面,同步辐射Ⅹ射线荧光分析比其他方法更具有优势。以北极斯瓦尔巴德群岛Bolterskardet湖年纹层为例,介绍同步辐射技术在年纹层沉积物中的应用。初步研究结果表明,同步辐射Ⅹ射线荧光分析数据能够揭示元素含量变化的季节规律。在季节变化层面上,Rb/Sr比值的旋回变化与每个年纹层序列中夏季正粒序层逐渐过度为暗色的冬季粘土微层对应,甚至 Rb/Sr 比值变化亦能够反映夏季纹层内的次一级波动。因此,沉积物的粒度变化可能是决定 Rb/Sr 比值季节波动的主要因素。其他元素(As和Ti)含量的变化受沉积物粒度影响较小,Ti含量的变化可能主要受物理风化作用以及区域降水量变化的影响。