地下水氮循环与砷迁移转化耦合的研究现状和趋势

地下水中铵根、砷、溶解铁的共存是一个普遍现象。它们之间发生强烈的相互作用,并影响地下水系统的氮循环和砷迁移转化。文章在系统总结地下水氮循环过程及影响因素、地下水氮循环功能微生物及特征、地下水砷富集的水文地球化学过程等国内外研究现状的基础上,深入分析了地下水系统中的氮循环过程（硝化、反硝化、铁铵氧化、厌氧铵氧化、硝酸根异化还原产铵等）对地下水砷迁移转化的影响,总结出含水层中铁氧化物和溶解态Fe(II)的动态转化是氮循环影响地下水中砷迁移转化的重要桥梁。据此提出不同氧化还原环境的含水层中氮循环过程、地下水氮循环与砷迁移转化耦合机理、Fe(III)-Fe(II)的循环-地下水氮循环-砷迁移转化之间的相互作用过程、地表水-地下水相互作用带氮-铁-砷的循环过程及其对人类活动的响应等是今后该领域需要关注的重要科学问题和主要发展趋势。这些科学问题的解决不仅有利于识别地下水中氮的来源和迁移转化,而且有利于提高对高砷地下水富集机理的整体认识。     

微生物介导下高砷地下水系统的氧化还原分带性概念模型

微生物活动对地下水水化学组分、氧化还原环境及砷的迁移转化有重要影响。研究高砷地下水系统的氧化还原分带性,有助于进一步理解微生物作用下地下水中砷的迁移转化规律,并为高砷地下水原位修复技术提供理论依据。在综述前人的研究成果的基础上,阐明了不同生物地球化学阶段砷的吸附、释放及固定过程,并刻画出高砷地下水系统的氧化还原分带性概念模型。在地下水环境中,微生物依次消耗(还原)溶解氧、NO-3、Fe(Ⅲ)、SO2-4和CO2等组分,氧化有机物获取能量。在溶解氧和NO-3还原阶段,地下水处于偏氧化环境,此时Fe(Ⅲ)还原受到抑制,其负载的砷不会释放到地下水中;当Fe(Ⅲ)还原时,地下水处于还原环境,会导致与之共存的砷释放,形成高砷地下水;而当SO2-4还原时,地下水处于强还原环境,产生的HS-与Fe2+形成的铁硫化物吸附或共沉淀砷,会降低地下水中的砷浓度。     

氧化还原动态变化对沉积物砷和氟释放的影响:以河北白洋淀平原为例

季风性波动引起的降雨、径流和排泄过程会引发浅层地下水系统周期性氧化还原动态变化,从而对地下水系统中有害组分的迁移转化产生影响。为探讨氧化还原动态过程对沉积物中砷(As)和氟(F)释放的影响,本研究选择河北白洋淀地区沉积物样品,利用发酵罐作为反应器,建立氧化还原动态实验体系,并监测动态变化过程中实验体系各组分含量的变化。结果表明,碱性和还原环境均有利于地下水中As、F的富集。还原阶段较高的pH条件有利于溶液中F^-的解吸,且体系中有机物降解会产生大量HC0₃^-和C0₃^2-,与F^-发生竞争吸附而有利于F^-的富集。对于溶液中As的富集,一方面是由于还原条件下体系中的As以As(III)为主,受沉积物的吸附作用较弱,从而有利于As被释放到溶液中;另一方面是因为还原阶段较高的pH也会使反应体系中As和沉积物间的吸附作用被减弱,造成As的解吸附。由于实验所用沉积物砷含量较低,不同S0₄^2-浓度条件对氧化还原动态过程中As、F迁移的影响不明显。总之,氧化还原动态变化过程会强烈影响地下水系统中砷、氟的富集。     

华北平原原生富碘地下水系统中碘的迁移富集规律:以石家庄-衡水-沧州剖面为例

高碘地下水是继高砷、高氟地下水之后的又一全球性饮水安全问题,但对地下水系统中碘的赋存形态及迁移富集机理研究尚显不足.为了解华北平原地下水系统中碘的空间分布特征及迁移富集规律,选取石家庄-衡水-沧州典型水文地质剖面,完成地下水样品采集,分析其水化学组成、总碘含量及碘形态组成特征,同时运用phreeqc完成水文地质剖面地球化学反向模拟及相关矿物饱和指数计算,定性定量表征水流场内所发生的水文地球化学过程,进而深入探讨上述过程对地下水系统碘迁移富集的影响.结果表明,区域内地下水中碘含量变化范围为3.35~1 106.00 μg/L,其中,41.86%样品碘含量超过《水源性高碘地区和地方性高碘甲状腺肿病区的规定（GB/T19380-2003）》所界定的150 μg/L国家标准;空间上,高碘地下水主要分布于渤海湾区;地下水中碘的主要赋存形态为碘离子及碘酸根离子,其分布受氧化还原环境控制,碘酸根离子主要出现于氧化环境中;沿地下水流向,地下水环境朝利于液相碘迁移富集的方向演变;渤海湾区,海水入侵影响下形成的偏碱性、（弱）还原环境,利于碘从沉积物中迁移释放至地下水中;碘在不同铁矿物相上的搭载能力及氧化还原环境演化导致的铁矿物相转化,是造成华北平原地下水系统中碘迁移富集的主要水文地球化学过程.      

江汉平原浅层含水层中土著硫酸盐还原菌对砷迁移释放的影响

硫酸盐还原菌是厌氧环境中参与砷形态转化的重要微生物种群,其介导的生物地球化学循环过程对铁氧化物表面吸附态砷迁移转化的影响亟待深入研究.选取江汉平原典型高砷含水层原位沉积物分离纯化出一株严格厌氧硫酸盐还原菌Desulfovibrio JH-S1,对其进行砷和铁还原能力鉴定,并通过模拟培养实验探究硫酸盐还原菌参与下的铁矿物相转化对吸附态砷迁移的影响.Desulfovibrio JH-S1具有Fe(III)还原能力,无硫和有硫体系中Fe(III)均能被还原,但在硫酸盐充足条件下铁还原量显著增加;该菌株不具备As(V)还原能力,但添加硫酸盐的培养体系中As(V)去除率可达96%以上.Desulfovibrio JH-S1能够还原硫酸盐从而促进载砷的水铁矿还原转化为纤铁矿,并导致吸附的砷释放.江汉平原高砷含水层土著硫酸盐还原菌兼具硫酸盐/铁还原功能,参与了高砷含水层系统中砷-铁-硫耦合循环,对高砷地下水的形成具有重要作用.      

含水层中砷活化迁移的水化学与DOM三维荧光证据

为了认识高砷地下水中砷活化迁移的生物地球化学机制,对江汉平原地下水氧化还原敏感元素的水化学特征及溶解性有机物(DOM)三维荧光信息进行了研究.水化学研究显示,地下水中的砷与铁的还原和有机质的氧化分解过程有密切关系.水样DOM的三维荧光分析表明,地下水中存在微生物介导下氧化还原过程的反应性有机物组分,其中醌类腐殖质与铁、硫酸盐等的还原反应过程联系紧密.还原、氧化醌类及易降解DOM组分与还原产物、砷的关系进一步显示,砷的活化与微生物介导下的铁氧化物的还原过程联系在一起.在这一过程中,易降解有机物充当电子供体的角色并被消耗,而还原醌与氧化醌则很可能扮演了电子飞行过程中的电子飞行物,"催化"了砷活化的氧化还原过程.      

地下水位波动带三氮迁移转化过程研究进展

三氮是我国地下水中典型污染物,其在包气带和含水层中的迁移转化过程受到高度关注。近几年,地下水位波动带中的三氮迁移转化已经成为新的研究领域。在综合运用文献计量分析法,定量分析相关研究趋势的基础上,系统总结地下水位波动带形成及特点,梳理波动带中三氮迁移转化过程及生物地球化学过程最新研究表述及成果,并对今后可能的研究热点和方向进行了展望。现有研究表明:水位波动带中环境指标如土壤含水率、氧化还原电位、溶解氧和有机质含量均表现出一定的分带性规律,微生物菌群结构和功能基因更多样化,并呈现一定的分布特征。随着地下水位波动,包气带中的三氮易浸溶进入地下水并发生迁移。地下水位上升,硝化作用减弱,反硝化作用增强;地下水位下降,硝化作用增强,反硝化作用减弱。为完善水位波动带三氮迁移转化过程研究,应进一步关注:（1）将水化学演化分析与分子生物学高通量测序方法相结合,深入探究水位波动带三氮转化与微生物作用机理;（2）除关注硝化、反硝化作用外,增加异化还原、同化还原和厌氧氨氧化等作用过程的研究;（3）细化分析更多情境、更多影响因素的水位波动过程,识别水位波动带三氮转化的关键影响要素。     

新疆伊犁盆地511砂岩型铀矿床成矿作用机理研究

为探讨511铀矿床的形成机理,通过野外岩心观察和系统样品采集,结合室内化学分析、扫描电镜、电子探针等方法,详细研究了赋存于Ⅴ旋回砂体的铀矿地质特征,对砂岩铀的成矿作用展开了初步讨论。认为Ⅴ旋回层间氧化带可划分为氧化带、氧化_还原过渡带(包括褪色亚带和铀矿石亚带)和还原带;铀矿赋存在过渡带砂岩中,空间展布严格受层间氧化带控制;铀主要以显微浸染状铀矿物(沥青铀矿 铀石)形式散布于炭屑木质细胞腔内壁和砂岩碎屑颗粒的填隙物中,部分以吸附形式赋存于粘土矿物和炭屑;层间氧化带发育是含氧层间承压水与砂岩之间水岩作用的结果。伴随砂岩中有机质、S2-和Fe2 被氧化,形成的有机酸类、SO2-4和Fe3 等组分部分迁移至过渡带沉淀,也是砂岩中铀元素活化迁移、沉淀富集,再活化、再富集的循环过程;层间氧化带及其砂岩铀成矿作用发生于表生环境,始于喜马拉雅早期(66Ma),具有长期性和滚动式向前发展的特点;铀成矿可能与微生物细菌活动及其还原作用密切相关。     

原生高砷地下水的类型、化学特征及成因

由于分布广、危害大,原生高砷地下水严重威胁全球内数亿居民的身体健康。研究原生高砷地下水的分布、化学特征及成因有助于进一步理解地下水中砷的迁移转化规律,并确保高砷区地下水的可持续利用。在查阅大量文献资料的基础上,结合近10年的高砷地下水研究经验,把原生高砷地下水分为还原性中性高砷地下水（Ⅰ 1型）和还原性弱碱性高砷地下水（Ⅰ 2型）、氧化性弱碱性高砷地下水（Ⅱ型）和氧化性弱酸性高砷地下水（Ⅲ型）。Ⅰ 1型高砷地下水主要分布于河流三角洲地区,Ⅰ 2型分布于干旱半干旱封闭内陆盆地,Ⅱ型主要分布于干旱半干旱平原盆地,Ⅲ型主要分布于富含黄铁矿或硫化物矿物的基岩地区。Ⅰ 1型高砷地下水处于还原环境,pH呈中性,Fe/Mn氧化物矿物的还原性溶解是造成As富集的主要原因。Ⅰ 2型高砷地下水处于还原环境,pH呈弱碱性,除了Fe/Mn氧化物矿物的还原性溶解外,As的解吸附是含水层中砷释放的重要原因。Ⅱ型高砷地下水处于氧化弱氧化环境,pH呈弱碱性,As的解吸附是含水层中砷释放的主要原因。Ⅲ型高砷地下水处于氧化环境,pH呈弱酸性,黄铁矿及其他硫化物矿物的氧化溶解导致了含水层中砷的释放。对于Ⅰ 2型高砷地下水,需要深入研究Fe/Mn氧化物矿物的还原性溶解以及As的解吸附对地下水砷富集的相对贡献量。     

微生物—有机质在层间氧化带型铀矿床成矿过程中的作用

生物、有机质成矿作用是目前国际成矿作用研究前沿领域。本文以我国典型层间氧化带砂岩型铀矿床——十红滩铀矿床为研究对象，分析了矿床的有机质、微生物地球化学特征，探讨了有机质和微生物的相互作用。认为好氧微生物积极地参与了矿床层间氧化带的形成和铀的活化迁移。在氧化还原过渡带，硫酸盐还原菌利用有机质生物化学作用的产物——轻烃和可溶有机物作为碳源，使容矿层地下水中硫酸盐发生还原作用形成硫化氢，地下水Eh降低和pH向弱酸性转化，导致铀的还原成矿和吸附成矿作用，有机质和微生物的相互作用控制着该矿床铀的成矿作用。     

沉积物-水界面的生物地球化学作用

沉积物－水界面是天然水体在物理、化学和生物特征等方面差异性最显著和负责水体和沉积物之间物质输送和交换的重要边界环境。对沉积物－水界面生物地球化学的定义、研究方法和它在水体微量物质循环中所起的作用、物质迁移方式、典型氧化还原敏感性元素转化反应（Ｃ、Ｏ、Ｎ）、界面扩散通量和表面扩散亚层的意义和估算等进行了讨论。      

沉积物－水界面的生物地球化学作用

沉积物－水界面是天然水体在物理、化学和生物特征等方面差异性最显著和负责水体和沉积物之间物质输送和交换的重要边界环境。对沉积物－水界面生物地球化学的定义、研究方法和它在水体微量物质循环中所起的作用、物质迁移方式、典型氧化还原敏感性元素转化反应（Ｃ、Ｏ、Ｎ）、界面扩散通量和表面扩散亚层的意义和估算等进行了讨论。     

Geochemical,mineralogical and microbiological characteristics of sediment from a naturally reduced zone in a uranium-contaminated aquifer

Localized zones or lenses of naturally reduced sediments have the potential to play a significant role in the fate and transport of redox-sensitive metals and metalloids in aquifers. To assess the mineralogy, microbiology and redox processes that occur in these zones, several cores from a region of naturally occurring reducing conditions in a U-contaminated aquifer (Rifle, CO) were examined. Sediment samples from a transect of cores ranging from oxic/suboxic Rifle aquifer sediment to naturally reduced sediment were analyzed for U and Fe content, oxidation state, and mineralogy; reduced S phases; and solid-phase organic C content using a suite of analytical and spectroscopic techniques on bulk sediment and size fractions. Solid-phase U concentrations were higher in the naturally reduced zone, with a high proportion of the U present as U(IV). The sediments were also elevated in reduced S phases and Fe(II), indicating it is very likely that U(VI), Fe(III), and SO₄ reduction has occurred or is occurring in the sediment. The microbial community was assessed using lipid- and DNA-based techniques, and statistical redundancy analysis was performed to determine correlations between the microbial community and the geochemistry. Increased concentrations of solid-phase organic C and biomass in the naturally reduced sediment suggests that natural bioreduction is stimulated by a zone of increased organic C concentration associated with fine-grained material and lower permeability to groundwater flow. Characterization of the naturally bioreduced sediment provides an understanding of the natural processes that occur in the sediment under reducing conditions and how they may impact natural attenuation of radionuclides and other redox sensitive materials. Results also suggest the importance of recalcitrant organic C for maintaining reducing conditions and U immobilization.     

水—岩相互作用研究的机遇与挑战

简要回顾水—岩相互作用研究的历史, 它基本经历了一个从水—岩相互作用, 到水—岩—有机物相互作用, 最后到水—岩—气—有机物—微生物相互作用研究的发展历程.近年来, 除基础地质及与矿产资源有关的课题继续深入外, 地下水环境演化与全球变化、含水系统中微量变价元素的迁移、转化与富集、地下水环境污染治理与修复、废物地质处置与CO₂封存等, 已经成为水—岩相互作用领域的研究热点.随着物理、化学、生物等领域中各种新理论和新方法的不断应用, 水—岩相互作用研究面临着新的机遇和挑战, 主要包括: 地下水系统中生物地球化学过程研究、水—岩相互作用中微观机理与宏观地球化学过程的耦合, 以及水—岩相互作用中的同位素分馏及应用等.      

高砷地下水研究的热点及发展趋势

全球范围内广泛分布的高砷地下水给人们的健康造成了极大的威胁.高砷地下水的形成机理是一项世界性的科学问题.介绍了高砷地下水的分布特点、富集机理,阐明了溶解性有机物、地下水流动特征对高砷地下水形成的影响机制.现今的研究揭示了有机物和微生物协同作用下高砷地下水的形成过程,并且在高砷地下水的空间分布、时间变化特征以及人类活动对高砷地下水形成的影响等方面取得了一些创新性成果.这3方面的研究也逐渐成为近些年高砷地下水研究的热点.这些研究不仅丰富了砷迁移转化的理论成果,而且有助于开辟低砷水源,保障水资源的可持续利用,具有重要的理论和现实意义.     

新疆阿克苏地区早寒武世碳酸盐岩沉积环境:微量元素和碳同位素证据

对出露于塔里木盆地北缘阿克苏地区寒武系纽芬兰统玉尔吐斯组上部和寒武系第二统肖尔布拉克组下部海相沉积碳酸盐岩进行了氧化-还原敏感元素(Mo、V、Cd和U)及稳定C、O同位素的地球化学剖面研究,以探讨早寒武世沉积碳酸盐岩的沉积环境.研究揭示,尤尔美那克剖面肖尔布拉克组底部和下部含有两个δ13C负异常,谷值分别为-2.1‰和...     

The migration, dissolution, and fate of chlorinated solvents in the urbanized alluvial valleys of the southwestern USA

 The migration, dissolution, and subsequent fate of spilled chlorinated solvents in the urban alluvial valleys of the southwestern U.S. appear to be governed by a unique set of hydrogeologic and geochemical processes occurring within terrigeneous clastic depositional systems. The alluvial and lacustrine fill of the basins, the trapping of solvents in fine-grained sediments beneath the urbanized valley centers, the oxic conditions typical of the deeper alluvium, and the contaminant-transport patterns produced by large-scale basin pumping combine to produce long aqueous-phase plumes derived from the dissolution of trapped chlorinated solvents. Although of limited aqueous solubility, these dense solvents are sufficiently mobile and soluble in the southwestern alluvial valleys to have produced aqueous plumes that have migrated several kilometers through the deeper alluvium and have contaminated valuable water-supply well fields in California, Arizona, and New Mexico. The typical length of these plumes and the presence of oxic groundwater indicate that it is unlikely that natural attenuation will be a practical remedial option in the southwestern alluvial valleys or in other alluvial systems in which similar hydrogeologic and geochemical conditions exist. Received, December 1996 · Revised, October 1997 · Accepted, November 1997