太湖溶解性有机质疏水性时空分布及有机物吸附模型研究

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溶解性有机质(DOM)普遍存在于天然水体环境中,是环境中有机污染物的重要吸附剂。有机污染物在DOM上的吸附分配行为影响其在水体环境中的归趋与生物有效性。DOM中非极性组分的占比反映了其疏水性,疏水性是影响上述分配行为的重要性质。有机碳标化分配系数(KOC)是定量描述分配行为的最常用指标。目前关于大尺度环境下DOM疏水性的时空分布模式及其主控因子与KOC高通量准确预测的研究较为有限。本研究首先以太湖北半湖区为研究对象,进行水体样品的高分辨率采集,对基本水质参数以及DOM的光学性质和疏水性(KATPS)进行表征,得到DOM疏水性及其对有机污染物吸附能力的时空分布模式并分析其主控因子。进一步基于DOM的紫外-可见光光谱和有机污染物的正辛醇-水分配系数(KOW)建立log KOC预测模型,在此基础上对模型的适用性、可解释性以及优化方向进行了分析。主要研究结论如下:(1)KATPS作为一种定量DOM疏水性的简便方法可以被应用于大尺度环境下的时空研究之中。3月份太湖北半湖区KATPS的范围为0.44-3.00,7月KATPS的范围为0.15-3.17,KATPS在太湖北半湖区有较强的空间异质性。在时间尺度上竺山湾区域3月和7月的KATPS有显著性差异。太湖北半湖区DOM的疏水性主要受到外源河流输入、内源藻类活动以及DOM的光降解过程的影响。对于太湖北半湖区的西部区域,在3月,DOM的疏水性主要受外源河流输入影响;在7月,DOM的疏水性受外源河流输入与内源藻类活动的共同影响。对于太湖北半湖区的中部区域和东部区域,DOM的疏水性分别受到内源藻类活动和光降解过程的影响。(2)通过向两相体系模型中带入DOM的KATPS与有机污染物的log KOW,可以对log KOC进行准确预测。以菲为模式污染物,太湖北半湖区log KOC具有较强的时空异质性,3月份log KOC的范围为2.81-3.88,7月log KOC的范围为1.86-3.90,太湖北半湖区不同区域的KOC数值之间的差异甚至超过了1个数量级。在时间尺度上,竺山湾和东部沿岸区域3月和7月的log KOC有显著性差异。其较强的时空异质性揭示了在污染物的风险评价中考虑DOM疏水性的必要性。(3)以DOM的紫外-可见光光谱和有机污染物的log KOW为特征建立的随机森林模型可以实现对log KOC的良好预测,该模型可以适用于水体、底泥、土壤以及泥炭来源的DOM。对于上述所有来源的DOM,折外均方根误差(RMSE)为0.259,对于土壤和泥炭DOM,折外RMSE为0.291。该模型学习到了对吸附有显著影响的可以表征DOM的分子量大小、腐殖化程度或者苯环的取代基种类的特征。(4)通过特征选择或者特征降维,可以对log KOC预测模型进行优化,分别使折外RMSE降低0.007和0.011。特征选择方法会同时降低未知样品的测定成本。因紫外-可见光光谱和log KOW都可以高通量获取,该随机森林模型可以应用于较大尺度环境下的DOM吸附行为研究。高通量的log KOC数据可以帮助更好地理解有机污染物的环境归趋与生物有效性。本研究对太湖北半湖区DOM疏水性的时空分布模式及主控因子进行了分析,并建立了log KOC高通量预测模型,对了解水体中有机污染物的归趋,实现精确的风险评估与管理有着重要的意义。
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