利用DGT技术研究湖泊缺氧区沉积物亚磷酸盐的分布规律与产生机制

Phosphite (primarily H2PO3- and HPO32-, where the oxidation state of phosphorus is +3) could be easily produced and enriched in anoxic sediments, while it could be transformed to phosphate in oxic water. However, knowledge on the formation and environmental behavior of phosphite in lake is still limited although it has been assumed as an essential component in phosphorus cycle. By the diffusive gradients in thin films technique with the Zr-oxide binding phase (Zr-oxide DGT), coupled with the two-dimensional capillary ion chromatography (2D-CIC), the vertical distribution of phosphite in sediments at a high-resolution (mm level) is in-situ obtained. The established method is applied to analyze emphatically the vertical and seasonal variation characteristics of phosphite in anoxic sediments from Lake Taihu; and to study the transformation of phosphate-phosphite and its main factors. The results will reveal the temporal-spatial distribution and formation mechanism of phosphite in lake ecosystem, which will provide helpful information for the fully understanding of the phosphorus cycle and for the control of lake eutrophication.

摘要：亚磷酸盐(H2PO3-和HPO32-, +3)易于在缺氧性沉积物中形成和富集，在好氧性水体可转化为磷酸盐，被认为是水体磷循环研究中不可缺少的关键物质，但其产生机制和环境行为目前还不清楚。本项目拟采用被动采样技术-氧化锆薄膜扩散梯度（Zr-oxide DGT）与二维毛细管离子色谱痕量分析技术（2D-CIC），构建沉积物亚磷酸盐垂向分布信息的原位、高分辨（mm级）获取方法，重点分析太湖典型缺氧区沉积物中亚磷酸盐的垂向分布及季节性变化特征，深入研究磷酸盐-亚磷酸盐转化特征及其控制因子，揭示亚磷酸盐的时空分布规律和产生机制，为系统构建湖泊磷循环过程以及湖泊富营养化治理提供理论依据。

当前越来越多的研究者致力于更加全面阐释磷循环过程，然而以往多数研究是以正五价磷酸盐(+Ⅴ)为基础，多使用“正磷酸盐”替代“磷”的生物地球化学循环过程，忽略了其它磷形态的存在如低价磷（磷的价态低于+Ⅴ）广泛存在。亚磷酸盐(H2PO3-和HPO32-, +3)易于在缺氧性沉积物中形成和富集，在好氧性水体可转化为磷酸盐，被认为是水体磷循环研究中不可缺少的关键物质，但其产生机制和环境行为目前还不清楚。本项目基于新型被动采样技术薄膜扩散梯度(DGT)与毛细管离子色谱痕量分析技术(CC-DIC)，成功构建亚磷酸盐-正磷酸盐同步垂向分布信息的原位、高分辨(mm级)获取方法；在此基础上, 以典型太湖厌氧频发区-梅梁湾为研究对象，通过野外和室内实验揭示了缺氧发生前后沉积物-水界面亚磷酸盐的垂向分布及其季节变化；深入研究磷酸盐-亚磷酸盐转化特征及其控制因子，揭示亚磷酸盐的时空分布规律和产生机制。取得重要研究结果包括：①成功构建DGT-CC-DIC联用方法，可原位捕获磷形态，具有较强的抗环境干扰性能(不受pH、离子强度、干扰离子影响)，高吸附容量(45.8 μg cm-2)，高灵敏度(7.44 ng L-1)，高分辨率(mm级别)等优势；②首次原位发现 8月份沉积物中亚磷酸盐平均含量(5.021μg P L-1) 远远大于4月份(0.140 μg P L-1)；沉积物-水界面上下20 mm亚磷酸盐波动异常明显，且上覆水中亚磷酸盐的含量略高于沉积物表层中亚磷酸盐的含量，这表明在沉积物-水界面亚磷酸盐是由水体向沉积物迁移;③发现沉积物中亚磷酸盐的含量约占总溶解态磷性的0.21–51.49％；亚磷酸盐与Fe+II呈明显的正相关性，表明铁作为沉积物中重要的电子受体，是控制沉积物亚磷酸盐转化的重要物质；此外，亚磷酸盐含量与铁磷和有机磷呈显著正相关，表明二者可能是沉积物中亚磷酸盐形成的最重要的前体物。本项目研究成果将深入扩展对环境中亚磷酸盐分布、迁移及主要产生机制等过程理解，在揭示磷的生物地球化学循环机制及阐明磷循环的生态环境效应方面具有十分重要的科学意义。