评估聚丙烯酸钠排放到塞纳河中的影响：一种数值建模方法

《Journal of Contaminant Hydrology》：Assessing the impacts of sodium polyacrylate discharge into the Seine River: A numerical modeling approach

反硝化速率及氮氧同位素富集因子受有机碳源与溶解氧浓度显著影响，实验柱模拟显示不同碳源（乙醇、醋酸、葡萄糖、红糖）在DO=1和2 mg/L下，地下水与沉积物孔隙水的εN分别为-2.6‰至-11.7‰，εO为5.0‰至29.2‰，扩散传输导致地下水同位素分馏更显著，结果为地下水硝酸盐污染控制提供定量依据。

　　地下水是全球约20亿人口的重要饮用水来源，但氮污染问题日益严重，特别是硝酸盐（NO??）的积累，已成为一个全球性的环境挑战。硝酸盐污染通常来源于自然过程和人类活动，如生活污水、工业和农业废水等。世界卫生组织（WHO）将硝酸盐列为地下水中的有害无机污染物，并规定饮用水中硝酸盐的最大浓度限制为50 mg·L?1。然而，中国在2000年至2020年间，约有15%的地下水超过了这一标准。因此，如何有效控制硝酸盐污染成为水资源管理中的关键课题。

硝酸盐的去除主要依赖于生物过程，其中脱氮作用（Denitrification）和异化硝酸盐还原成铵（DNRA）是最主要的自然降解机制。脱氮作用是一种微生物过程，通过将电子供体氧化，同时将硝酸盐还原为氮气（N?）。这一过程通常发生在厌氧条件下，当硝酸盐浓度较高且存在足够的电子供体时，脱氮作用在地下水系统中发挥重要作用。因此，准确量化脱氮作用对于水资源管理至关重要。

为了更深入地了解脱氮作用及其同位素分馏效应，本研究在模拟含水层的条件下，通过实验柱模拟地下水和沉积物中的脱氮过程。实验柱由聚甲基丙烯酸甲酯制成，分为上部和下部两部分。上部装有含水层水，体积为0.849 L，高度为10 cm，直径为10.4 cm。下部则填充了沉积物、预处理土壤、中砂和砾石，体积同样为0.849 L。下部被划分为四个不同的层，以模拟不同地质结构对脱氮过程的影响。通过这种方式，实验柱能够更真实地反映地下水系统中的脱氮行为。

在实验过程中，使用了四种不同的有机碳化合物作为电子供体，包括乙醇、乙酸、葡萄糖和红糖，并在两种不同的溶解氧（DO）浓度条件下（1和2 mg·L?1）进行实验。研究结果表明，不同碳源和DO浓度对脱氮速率及同位素分馏效应有显著影响。在DO浓度为2 mg·L?1的条件下，乙酸、葡萄糖和红糖作为碳源时，其同位素分馏效应（εN）均较乙醇更不显著，即更接近于零。这一现象表明，不同的碳源在脱氮过程中对同位素的分馏能力存在差异，可能与碳源的化学性质和微生物代谢途径有关。

此外，实验还发现，当DO浓度降低至1 mg·L?1时，红糖的同位素分馏效应（εN）相较于DO浓度为2 mg·L?1时更为显著，即更负。这一结果可能与低氧条件下微生物代谢的调整有关，也反映了不同环境条件对同位素分馏的复杂影响。同时，实验还观察到，脱氮作用过程中氧同位素分馏效应（εO）呈现正值，范围从5.0‰到29.2‰不等，而这一效应可能受到扩散运输、氧气交换和硝酸盐还原过程的影响。

实验结果进一步表明，同位素分馏效应（εN和εO）与脱氮速率之间存在正相关关系。即脱氮速率越高，同位素分馏效应越显著，这反映了氮的生物地球化学过程对同位素的强烈影响。同时，实验还发现，同位素分馏效应在过水层水（εN?和εO?）和沉积物孔隙水（εN?和εO?）中表现出不同的特征。例如，过水层水中的同位素分馏效应绝对值通常高于沉积物孔隙水中的分馏效应，这可能与扩散过程和物理化学条件有关。

本研究的意义在于，通过实验揭示了局部地质化学条件对同位素分馏的显著影响，并提供了关于脱氮过程中同位素分馏的科学数据。这些数据有助于更准确地量化地下水系统中硝酸盐的来源，并为脱氮作用的监测和管理提供理论依据。同时，研究结果还表明，同位素分馏效应可以作为评估脱氮作用的重要工具，尤其是在实际环境条件下，通过合理的模型和实验设计，能够更有效地识别脱氮作用的贡献。

此外，研究还发现，不同碳源对脱氮作用的影响不仅体现在速率上，还体现在同位素分馏效应的差异上。例如，乙醇作为碳源时，其同位素分馏效应（εN）比乙酸、葡萄糖和红糖更显著，即更负。这可能与乙醇的分子结构、代谢途径和微生物群落的组成有关。而乙酸、葡萄糖和红糖的同位素分馏效应则相对较弱，这可能与其较高的可利用性或代谢效率有关。因此，选择合适的碳源对于提高脱氮效率和优化同位素分馏效应具有重要意义。

实验结果还表明，脱氮作用在不同环境条件下表现出不同的特征。例如，在DO浓度为2 mg·L?1时，脱氮作用的速率较高，而同位素分馏效应也较为显著。而在DO浓度为1 mg·L?1时，脱氮速率相对较低，但同位素分馏效应则有所变化。这提示我们，脱氮作用的效率和同位素分馏效应不仅与碳源有关，还受到环境条件的调控。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以实现更有效的脱氮和水质管理。

本研究的实验设计和结果对于理解地下水系统中的脱氮作用具有重要价值。通过实验柱模拟，能够更真实地反映地下水和沉积物中的脱氮过程，并为脱氮作用的监测和管理提供科学依据。此外，研究结果还表明，同位素分馏效应可以作为评估脱氮作用的重要工具，特别是在实际环境条件下，通过合理的模型和实验设计，能够更有效地识别脱氮作用的贡献。

在实际应用中，脱氮作用的监测和管理需要考虑多种因素，包括碳源的选择、DO浓度的控制、微生物群落的组成以及环境条件的变化。这些因素共同作用，影响脱氮作用的效率和同位素分馏效应。因此，未来的研究需要进一步探索这些因素之间的相互作用，以实现更精准的脱氮评估和更有效的水质管理。

综上所述，本研究通过实验揭示了脱氮作用在不同碳源和DO浓度下的表现，并为理解地下水系统中的同位素分馏效应提供了科学数据。这些数据不仅有助于评估脱氮作用的贡献，还为优化水质管理提供了理论依据。未来的研究可以基于这些发现，进一步探索脱氮作用的机制，并为实际环境中的脱氮管理提供支持。