高砷地下水系统中溶解性有机质来源的稳定碳氧同位素解析

High arsenic groundwater is one of the most serious environmental issues facing mankind, the release of arsenic from sediment to groundwater is mainly controlled by dissolved organic matters (DOM). Revealing the sources of DOM is the key to impede the high arsenic groundwater. Based on the study of high arsenic groundwater in the Jianghan Plain, this work plans to identify the sources of DOM in the groundwater, quantify the contribution ratios of different sources of DOM related to arsenic releasing, and understand their temporal variations. This work will be done by using the technology of carbon and oxygen isotopes in the DOM, analyzing the stable carbon and oxygen isotope compositions of the different sources of DOM, acquiring the fractionation factor of stable carbon and oxygen isotopes of DOM in arsenic releasing processes, and combining with stable isotopes mixing models. This study will provide new method to identify the source of DOM and other matters. More importantly, it will provide new scientific bases for the prevention and treatment of high arsenic groundwater.

高砷地下水是人类面临的最为严峻的环境问题之一，溶解性有机质（DOM）是地下水中砷释放过程的主控因素，准确判定DOM的来源并量化各种来源的贡献率是高砷地下水防治的关键和难点。本项申请以江汉平原为典型研究区，利用DOM中稳定碳氧同位素测试技术，分析不同来源DOM中稳定碳氧同位素的组成特征，通过室内实验获取DOM在砷释放过程中稳定碳氧同位素的分馏系数，结合稳定同位素混合模型，识别地下水中DOM的来源，量化不同来源DOM的贡献率及其动态变化，探析地下水中砷释放过程对DOM来源变化的响应机制。本项申请可为溶解性有机质的来源解析开辟新方法，为高砷地下水的防治提供科学依据，同时又可为环境中其他有害物质的来源解析提供经验和借鉴，具有重要的理论意义与实用价值。

本项目建立了GC-IRMS湿式氧化测试溶解性有机质（DOM）中稳定碳同位素的方法，测试样品重现性为±0.5‰，测试最低浓度为1mg/L。选取江汉平高砷地下水监测场作为精细研究对象，采集监测场内SY03、SY05、SY07监测点沉积物，以及1个完整水文年地下水、地表水DOM样品，建立了不同来源DOM碳同位素特征端元模型。通过室内控制性模拟实验，测定了DOM在与As竞争吸附、络合于针铁矿表面过程中稳定碳同位素富集系数，相对于微生物氧化降解DOM过程中产生的碳同位素分馏，针铁矿吸附DOM过程中碳同位素组成随着反应条件（pH、温度）的改变和As(V)浓度的变化不明显，在微生物氧化还原作用为DOM迁移转化主要途径的地下水系统中，由环境条件改变以及吸附作用所产生的碳同位素组成变化对DOM源解析计算结果影响可以忽略不计。进行了微生物DOM氧化对砷动态变化的影响研究，江汉平原地下水DIC主要来源是碳酸盐溶解（超过50%），其次是微生物将DOM氧化为DIC；与砷富集相关的生物地球化学作用在25m承压含水层作用强度最高，DOM分解产生的DIC比例最大，δ13CDIC值最偏负。利用SY03、SY05、SY07监测点DOM稳定碳同位素、水动力条件、水化学组分水文年变化，结合二元稳定碳同位素混合模型，综合分析了研究区地下水DOM的来源和输入机制，发现：10m和25m地下水中的DOM主要来自地表水入渗和上层沉积物中的有机质淋滤；而50m地下水DOM主要来自河流和原位沉积物有机质的溶解。本项目成果对于研究碳元素参与下的地下水环境中生物地球化学过程具有重要的科学意义和应用价值。