河北平原浅层和深层含水层中富铁地下水的分布与起源

《Journal of Contaminant Hydrology》：Distribution and origins of iron-rich groundwater in shallow and deep aquifers of the Hebei plain

硝化作用在地下水污染控制中起关键作用，研究通过模拟含水层条件实验，探讨不同有机碳源（乙醇、乙酸、葡萄糖、红糖）和溶解氧浓度（1、2 mg·L?1）对地下水及沉积物孔隙水中硝化速率和同位素分馏效应（εN、εO）的影响。结果显示，硝化速率和同位素分馏系数因碳源及DO浓度显著变化，地下水与沉积物孔隙水的εN分别为-2.6‰至-11.7‰和-2.4‰至-10.0‰，且O交换过程导致正εO分馏，εO范围分别为5.0‰至29.2‰（地下水）和3.9‰至22.8‰（沉积物）。分馏效应与硝化速率呈负相关，扩散传输使地下水εN绝对值高于沉积物。研究为量化实际地下水系统中硝化作用提供了同位素分馏参数。

　　在地下水系统中，硝酸盐（NO??）的污染问题日益严重，这不仅影响了全球范围内的水资源安全，也对生态环境和人类健康构成了潜在威胁。为了有效控制这种污染，科学家们研究了硝酸盐的自然去除机制，尤其是反硝化作用（denitrification）和异化硝酸盐还原作用（DNRA）。反硝化作用是一种微生物驱动的生物地球化学过程，通过将硝酸盐逐步还原为氮气（N?），从而实现氮的去除。这一过程在缺氧条件下尤为活跃，而硝酸盐的同位素富集因子（εN）则成为评估反硝化作用强度的重要指标。

反硝化作用的同位素富集因子不仅能够反映硝酸盐在不同环境中的转化路径，还能够帮助科学家追踪硝酸盐的来源。例如，在反硝化过程中，轻同位素（如1?N）更容易参与化学反应，导致重同位素（如1?N）在残留的硝酸盐中富集，从而引起δ1?N-NO??值的升高。这一现象为研究地下水系统中硝酸盐的转化提供了有力的工具。此外，氧同位素（如1?O）的富集因子（εO）也表现出一定的变化，这些变化可能与硝酸盐的氧化还原过程及氧的交换机制有关。

在本研究中，科学家们通过建立实验柱来模拟地下水和沉积物的条件，进一步探讨了不同有机碳源和溶解氧浓度对反硝化作用及其同位素富集因子的影响。实验中使用了四种有机碳化合物：乙醇、乙酸、葡萄糖和红糖，分别在溶解氧浓度为1 mg·L?1和2 mg·L?1的条件下进行测试。研究结果表明，不同碳源和溶解氧浓度对反硝化速率和同位素富集因子产生了显著的影响。例如，在溶解氧浓度为2 mg·L?1的情况下，乙醇作为碳源时，地下水和沉积物中的εN值分别为-11.7‰和-10.0‰，而乙酸、葡萄糖和红糖的εN值则相对较高，分别为-9.2‰、-7.4‰和-2.6‰。这表明，不同有机碳源对同位素富集因子的影响存在差异，其中乙醇的同位素富集因子更为显著。

在溶解氧浓度为1 mg·L?1的情况下，红糖的εN值出现了一些变化，其地下水和沉积物中的εN值分别为-5.0‰和-3.5‰，这比在溶解氧浓度为2 mg·L?1时的εN值更为负。这一现象可能与硝酸盐的氧化还原过程和氧的交换机制有关。同时，研究还发现，反硝化速率与同位素富集因子之间存在一定的相关性，较高的反硝化速率通常伴随着更显著的同位素富集效应，反映出更强的氮同位素分馏作用。

此外，实验中还观察到了氧同位素富集因子（εO）的正向变化，这可能与硝酸盐的还原过程及氧的交换机制有关。在实验条件下，εO值在地下水和沉积物中分别达到了5.0‰到29.2‰和3.9‰到22.8‰的范围。这种正向的氧同位素富集因子可能表明，在硝酸盐还原过程中，氧的交换作用对同位素分馏产生了重要影响。

研究还探讨了不同碳源对反硝化作用的促进作用。乙醇、乙酸、葡萄糖和红糖等有机碳化合物在缺氧条件下能够有效促进反硝化作用的发生。其中，乙醇作为碳源时，其促进作用更为显著，这可能与其较高的可利用性和对微生物的适宜性有关。而红糖在溶解氧浓度为1 mg·L?1时表现出较高的反硝化速率，这可能与其特殊的化学结构和较高的可溶性有关。

在实验设计中，科学家们采用了循环实验柱的方法，模拟了地下水和沉积物的自然条件。实验柱由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成，分为上层和下层两部分。上层用于模拟地下水环境，下层则填充了经过预处理的土壤、中砂和砾石，以模拟沉积物的条件。这种实验设计使得研究者能够在更接近自然环境的条件下，观察反硝化作用及其同位素分馏效应。

实验结果显示，不同碳源和溶解氧浓度对反硝化速率和同位素分馏效应的影响是复杂的。例如，在溶解氧浓度为2 mg·L?1时，乙醇的反硝化速率最高，而红糖的反硝化速率则相对较低。这可能与不同碳源的可利用性、微生物的偏好性以及反应条件的适宜性有关。此外，实验还发现，反硝化作用在地下水和沉积物中的表现存在差异，这可能与两者的物理化学条件、微生物群落组成以及营养物质的供应情况有关。

为了更全面地理解反硝化作用及其同位素分馏效应，研究者还分析了地下水和沉积物之间的同位素关系。这种关系不仅能够揭示硝酸盐在地下水和沉积物中的转化路径，还能够为地下水系统中硝酸盐的来源追踪提供科学依据。通过比较不同碳源和溶解氧浓度下的同位素数据，科学家们能够更好地评估反硝化作用在不同环境条件下的表现，并为地下水管理提供更精确的数据支持。

本研究的成果对于理解地下水系统中反硝化作用的机制具有重要意义。通过实验数据的分析，科学家们发现，局部的地球化学条件对同位素分馏效应有着显著的影响。这些条件包括溶解氧浓度、有机碳源的种类以及沉积物的物理化学特性。此外，研究还强调了同位素分馏因子在评估反硝化作用强度中的关键作用，为地下水系统中硝酸盐污染的控制提供了新的思路和方法。

研究团队还特别关注了实验条件对同位素分馏因子的影响。例如，在模拟的地下水和沉积物环境中，硝酸盐的扩散运输可能导致了更显著的同位素分馏效应。这种效应在地下水中的εN值和εO值表现得更为明显，而在沉积物中的同位素分馏因子则相对较低。这可能与硝酸盐在地下水中的扩散速度和微生物的活动范围有关。

实验数据的收集和分析为研究地下水系统中的反硝化作用提供了宝贵的科学依据。科学家们通过实验柱模拟了实际的地下水和沉积物环境，并在不同的碳源和溶解氧浓度条件下进行了多次重复实验，以确保数据的准确性和可靠性。这些数据不仅能够帮助研究者理解反硝化作用的机制，还能够为地下水污染治理提供科学支持。

本研究的结论表明，反硝化作用及其同位素分馏效应在地下水系统中受到多种因素的影响，包括碳源的种类、溶解氧浓度以及沉积物的特性。通过深入研究这些因素，科学家们能够更准确地评估反硝化作用在地下水中的作用，并为地下水资源的管理和保护提供科学依据。此外，研究还指出，同位素分馏因子的计算和应用对于量化反硝化作用具有重要意义，特别是在模拟条件下，这些数据可以用于更精确地评估地下水系统中硝酸盐的来源和转化路径。

总之，反硝化作用在地下水系统中扮演着重要的角色，而同位素分馏因子则是评估这一过程的关键参数。通过实验研究，科学家们能够更全面地了解反硝化作用的机制，并为地下水污染的治理提供科学支持。未来的研究可以进一步探讨不同环境条件下的反硝化作用及其同位素分馏效应，以期为地下水管理和环境保护提供更加精准的数据和方法。