环境压力胁迫下我国典型海区沉积物上磷的迁移转化行为

The bio-geochemical cycle of phosphorus is one of the key processes in the marine ecosystem. Eutrophication as well as black carbon distribution has been a major environmental problem in Chinese coastal areas. Phosphorus transformation behavior on sediment under the environmental stress is important for evaluating its effects on present nutrient cycling. In this project, we will choose the typical estuary and coastal sea area to study phosphorus transformation. Sequential chemical separation procedures will be used to extract the sediment active components and phosphorus forms. The transformation of organic and inorganic phosphorus on sediment-biofilm interface and black carbon effects will be investigated through emprical experiments toghether with Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR). Molecular scale information and influential factors will be investigated to study the mechnism based on a surface complexation model, and then the responce to environmental stress like eutrophication and black carbon emission will also be evaluated. These results are essential to recognize the rule of phosphorus spatial-temporal variation and transformation. Therefore they will be helpful to give technological support for protecting our marine eco-environment.

磷的生物地球化学循环是海洋生态系统中的关键过程之一。我国近海日益面临富营养化及黑碳沉降增加等环境问题，充分认识环境压力胁迫下磷在沉积物界面上的迁移转化行为，对评价磷的液固界面过程对当今生源要素循环的影响具有重要意义。本课题拟选择我国典型河口和近海海域，对沉积物中的磷形态分布和吸附活性组分进行化学法逐级分离，研究有机磷和无机磷在沉积物及其表面生物膜上的迁移、转化过程，利用经验测试结合光谱学（衰减全反射红外分析ATR-FTIR）技术，借助络合模型的计算认识分子水平上的吸附形态和影响因素,阐明磷在沉积物-生物膜-水界面上的吸附过程与机制以及沉积物中黑碳的作用，揭示沉积物界面上磷的迁移转化过程对富营养化及黑碳排放增加等环境问题胁迫的响应机制。研究结果将对充分认识我国海洋中营养元素的时空变化、迁移机制等生物地球化学过程问题，以及我国海洋生态环境的保护具有科学价值和意义。

我们以实验室分析和模拟实验为主较为系统地研究了富营养化和黑碳沉降影响下沉积物界面上无机磷和有机磷的迁移转化特征和机制，同时通过参与出海调查，获取现场相关数据并进行现场培养实验，进一步明确上述环境压力胁迫下磷在海洋环境中的转移和储存过程。我们考察了有机磷和无机磷在沉积物及其活性组分金属氧化物、粘土矿物和腐殖酸上的吸附动力学和热力学特征，对沉积物利用化学法进行逐级处理以探讨其活性组分的吸附贡献，讨论了吸附过程中的影响因素并结合吸附特征参数进行了相关性分析，揭示了粘土矿物、有机质等的重要作用，探讨了天然沉积物的吸附规律和机制。研究了藻华发生与沉积物-水界面上磷迁移转化间的相互影响，利用批量法考察了沉积（悬浮）物吸附和藻体吸收动力学过程，并设计静态微环境模拟实验和现场培养实验，考察了共存生物藻类的生长及暴发过程导致的溶解氧（DO）、磷浓度等环境因素的变化，及其导致的沉积物的组成和表面性质改变，较深入认识了无机磷和以单磷酸腺苷、三磷酸腺苷和甲基膦酸为代表的有机磷化合物在藻华暴发期间的的分布转化行为以及与环境因子之间的相互作用。为探明工业及民用不同来源的黑碳对海洋中磷的迁移行为的影响规律，我们分别以电厂粉煤灰、桃木炭为前驱物，采用酸处理方式制备了两种黑碳（FC、PC），运用SEM、BET、FTIR等手段进行表征，结合表面酸碱性质和阳离子交换容量的测定，揭示其对沉积物表面性质的影响，研究了黑碳增加对磷在沉积物中赋存和迁移的影响以及环境因素的作用。鉴于沉积物中的粘土矿物和有机质在磷的迁移转化中发挥着重要作用，我们还以高岭土为代表，研究了黑碳对磷在粘土矿物上迁移的影响。以上工作明确了黑碳对沉积物固磷能力的促进作用和机制。本课题研究结果将对充分认识海洋中营养元素的时空变化、迁移机制等生物地球化学过程、以及富营养化及大气污染沉降等环境压力下海洋生态环境的保护等具有科学价值和意义。