地下水中高氯酸盐来源的稳定氯、多氧同位素解析

Perchlorate is a new persistent pollutant, which has been detected recently in a variety of waters that may be detrimental to human health. Serious environmental pollution of perchlorate exists potentially in China. It would generate considerable interest in perchlorate source identification to protect groundwater resources and prevent groundwater contamination. Stable chlorine and oxygen isotopic signitures are useful for distiguishing sources of perchlorate in groundwater and identifying synthetic perchlorate from different manufactures as environmental forensics to find out legal responsibility for contamination of groundwater. In this stuy, methods for isotopic analysis of ClO4- (δ37Cl, δ18O and Δ17O) are developed and applied to measure a variety of known natural and synthetic perchlorate sources. Isotopic compositions of synthetic perchlorate collected form different manufactures, plants, and batches together with water sources are also be analyzed to reveal isotopic signitures that are related to perchlorate production. Based on these data above, a endmember modle is established for isotopic signiture of perchlorate sources. In addition, isotopic analyses of perchlorate extracted from groundwater and surface water demonstrate the feasiblity of identifying perchlorate sources in contaminated environments on basis of this modle. This study has important scientific significance and application value, wich would promote development of chlorine and multi-oxygen isotopic measurement techniques, and would provide scientific basis for protection and treatment of groundwater contamination and arbitration of environmental pollution incidents.

高氯酸盐是一种新型的持久性污染物，广泛地存在于自然界的水体环境中，痕量的高氯酸盐即可危害人体的健康。中国存在着严重的高氯酸盐环境污染问题，污染来源是其首要解决的问题。本研究在建立地下水中高氯酸盐的样品前处理方法及其稳定氯、多氧同位素测试技术的基础上，研究自然成因和人工合成的高氯酸盐的同位素组成特征（δ37Cl、δ18O和Δ17O），特别是高氯酸盐在其人工合成工艺中的同位素分馏效应及其影响因素，建立高氯酸盐不同来源的同位素特征值的端元模型，并基于此模型对地下水中高氯酸盐的来源进行定性识别与定量评价。本研究将推动我国高氯酸盐同位素测试技术的发展，为地下水中高氯酸盐的来源解析提供有效的方法，同时为地下水中高氯酸盐污染的防治提供科学依据，具有重要的科学意义与实际应用价值。

中国存在着严重的高氯酸盐环境污染问题，识别其污染来源是污染防治首要解决的问题。综合应用高氯酸盐稳定氯、多氧同位素组成特征有望为地下水中ClO4-来源的识别提供直接的证据。本研究主要围绕同位素测试技术、同位素特征值端元模型和浏阳水体ClO4-来源解析三方面内容开展研究，获得以下重要研究成果：（1）组建了高氯酸盐真空热解同位素制样系统，并结合GasBenII-IRMS联用技术实现了高氯酸盐稳定氯、多氧同位素的高精度测试，δ37Cl、δ18O 和Δ17O的分析精度分别为±0.1‰、±0.3‰和±0.04‰；同时建立了高氯酸盐氧同位素的高温裂解（TC-EA）在线高效测试方法，δ18O测试精度优于0.5‰；均达到国际先进水平，推动了我国同位素测试技术的发展，为高氯酸盐污染的防治研究提供了先进的分析工具。（2）应用先进的同位素测试技术，揭示了我国使用的主要化学试剂和烟花爆竹两类人工合成高氯酸盐产品的同位素组成特征，丰富并完善了不同来源高氯酸盐同位素组成特征值的端元模型，为我国地下水ClO4-污染来源的示踪提供了重要的理论依据。（3）利用ClO4-选择性极强的双官能团阴离子交换树脂建立了地下水ClO4-同位素样品的野外采集方法与前处理技术，具有重要的应用价值和技术示范作用。（4）浏阳河水ClO4-污染状况自源头至汇入湘江在空间上呈现出不规律的变化特征，与其流经村镇花炮厂的数量及其分布有密切关系，检出ClO4-的浓度范围为9~138 μg/L，其δ37Cl值为1.4 ~10‰，δ18O值为-16.0~ -2.4‰，Δ17O值为-0.28~ -0.05‰，表明除浏阳市区河水中的ClO4-主要来源于生活污染水外，其余均主要来源于烟花爆竹的制造与燃放。（5）浏阳河周边地区地下水均有ClO4-检出，其浓度为5~60μg/L，在烟花制造厂区高达1176 μg/L，其δ37Cl值为1.8 ~6.2‰，δ18O值为-16.5~ -3.2‰，Δ17O值为-0.28~ -0.20‰，表明人工合成的烟花爆竹是其主要来源，且部分地下水的ClO4-发生了微生物还原反应。综上所述，高氯酸盐稳定氯、多氧同位素组成特征能够为地下水中ClO4-来源的识别提供直接的证据，为地下水ClO4-污染的防治提供科学依据，其研究方法与结果可拓展到全国地下水ClO4-污染的防治研究中。