湖泊沉积物中单体中性糖的碳同位素研究及源解析

Compound specific isotope analysis (CSIA) is an important analytical technique for the reconstruction of historical primary productivity in lacustrine lakes. This powerful tool can provide both the source and the diagenesis information of the organic matter in natural environments. Many individual organic compounds have been successfully applied for the rebuilt of historical primary productivity such as n-alkane, fatty acid and alcohols. However, the development and application of CSIA technique for individual neutral sugars is still lacking. Therefore，this project is proposed for establishing a evaluation system of source identification for lacustrine sediments based on the CSIA of individual neutral sugars. Firstly, the CSIA analyses of neutral sugar in phytoplankon and depositional particles will be conducted in lakes seasonally. Secondly, the sediment cores will be collected for the CSIA analyses in order to further study the source and diagenesis of neutral sugars and organic matter. Combined with the results of Rock-Eval and solid-state NMR analyses, the mechanism of carbon isotope composition and distribution of individual neutral sugars in different environmental compartments will be studied.

利用单体同位素技术鉴别和判定湖泊沉积有机质的来源以及有机物源的矿化降解，进而重建历史初级生产力，是研究湖泊环境演变至关重要的基础性工作。目前已被广泛用于古生产力研究的单体化合物包括正构烷烃、脂肪酸、醇类等。然而，中性糖类作为沉积藻类有机质的重要组成部分，有关其单体同位素的研究报道却不多。本项目选择内源输入为主的淡水湖泊为研究区域，通过酸水解前处理样品，然后利用气相色谱-同位素比值质谱分析湖泊浮游藻体、沉降颗粒以及沉积柱样品中各中性糖单体的碳同位素组成和季节分布，结合有机质的Rock-Eval 热解数据、高级固态核磁的分析结果以及传统的生产力指标，研究湖泊有机质单体中性糖的碳同位素组成特征、分布以及迁移转化规律，补充和完善湖泊沉积有机质中性糖的碳同位素信息，建立一套基于中性糖碳同位素的湖泊藻类有机质来源鉴别和过程转化的评价机制。

糖类是湖泊沉积物中最普遍存在，含量最丰富的化合物，它不仅是浮游植物光合作用的产物，还是构成植物细胞壁等框架结构的主要成分。利用中性糖类及其单体碳同位素比值鉴别和判定湖泊有机质的来源和矿化降解，是湖泊环境演变研究中非常有意义的工作。本项目选择了西南和东北的湖泊作为研究对象，通过分析湖泊中藻类、高等植物和沉积物中糖类的含量及其单体碳同位素比值，并结合Rock-Eval的热解数据、传统生产力指标生物硅的含量、以及高级固态核磁的分析结果，探讨了湖泊沉积有机质中单体中性糖的碳同位素比值特征、转化规律和指示意义。结果表明：泸沽湖（LG）、洱海（EH）、小兴凯湖（XK）、镜泊湖（JB）的沉积有机质分别含有中性糖2.52~5.4 mg/g，1.28~37.42 mg/g，0.17~1.82 mg/g和0.79~9.18 mg/g。主要以葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和木聚糖为主，岩藻糖和鼠李糖次之，甘露糖含量较少。这些单体中性糖的碳同位素比值分别为-31.05‰~-35.21‰，-33.26‰~-36.19‰，-35.22‰~-37.15‰，-27.94‰~-34.37‰，-29.37‰~-35.69‰，-26.93‰~-31.66‰和-30.56‰~-35.26‰。洱海和小兴凯湖沉积中性单糖的含量和碳同位素比值与热解生产力指标S2和HI，生物硅的含量之间有显著的相关性，说明这些湖泊的沉积有机质主要以来源于浮游藻类和植物的残体以及降解产物，在一定程度上能够反映湖泊的生产力历史。而泸沽湖和镜泊湖可能受到了人类活动的影响，与热解指标和生物硅的含量相关性较弱。结合近60年的年均温和五年滑动均温数据可以发现，湖泊中性糖的含量、组成以及单体的碳同位素比值还在一定程度上反映了环境温度的变化，进而可能影响沉积物中污染物多环芳烃的累积。