（环境科学专业论文）太湖水体中的胶体态痕量金属及其影响因素研究.pdf

季节较低：各季节中，作为藻型湖区的梅梁湾各痕量金属的胶体态含量大都高于 作为草型湖区的贡湖湾，这可能和梅梁湾重金属污染较重有关；并且梅梁湾中胶 体c d 、p b 、m n 和z n 在各自总溶解相和总量中的比例也都高于贡湖湾；除z n 外， 两湖区中其它元素的胶体态含量差异一般都是在春季较小。 3 探讨了太湖水体胶体态痕量金属含量在一个风浪过程中的变化，揭示出， 太湖水体中胶体m n 、c u 和p b 的含量与风浪扰动强度呈正相关，胶体z n 含量和 扰动强度呈负相关；而胶体f e 含量主要取决于c o c 的含量，其次也和总f e 含量 有关，根本上则受风浪扰动的影响，但和风浪扰动无明显直接关系；胶体c d 含量 变化比较复杂，与c o c 含量、总c d 含量乃至风浪扰动强度无明显关系。 4 模拟研究了水动力扰动作用对太湖水体胶体态痕量金属含量的影响，揭示 出，扰动开始后上覆水中痕量金属的胶体态含量都是持续增加，到扰动2 2 h 时达 到最高，此后，在扰动末期和静置过程中，除过胶体z n ，其它痕量金属c d 、c u 、 p b 、f e 和m n 的胶体态含量都呈波动减少趋势；上覆水中胶体c d 含量和水动力扰 动作用存在一定的正相关关系，弥补了野外观测的不足；胶体c u 、p b 、m n 和水 动力扰动作用也存在不同程度的正相关关系，而胶体f e 含量和水动力扰动作用没 有直接、明显的相关关系，这些都印证了野外观测的结果：野外观测中发现的胶 体z n 含量和风浪扰动强度之间的负相关关系在模拟实验中也有所表现。 5 探讨了太湖水体胶体态痕量金属含量的影响因素，揭示出，太湖水体中痕 量金属的胶体态含量和各自的总量存在显著性或极显著性正相关关系，表明太湖 水体中痕量金属的胶体态含量主要受制于其总量，这可能是由于太湖水体中较高 含量的c o c 对于痕量金属胶体态的形成来说，是盈余的；其次，c o c 和无机胶体 ( 主要是铁锰氧化物) 作为吸附体对太湖水体胶体态痕量金属含量的影响也有所 表现：风浪的扰动作用对太湖水体痕量金属的胶体态含量有着直接和间接的影响， 是影响太湖水体胶体态痕量金属含量的根本因素。 关键词：太湖；胶体；有机碳；痕量金属；水动力；影响因素；切向流超滤 i i a b s t r a e t c o l l o i d a lp h a s ei sa ne x i s t i n gf o r no fs u b s t a n c e s i nr e c e n ty e a r s m o r ea n dm o r e e n v i r o n m e n ts c i e n t i s t sh a v ef o c u s e do nc o l l o i d si nn a t u r a lw a t e r sb e c a u s et h e i r i m p o r t a n te n v i r o n m e n t a ls i g n i f i c a n c e s i n t h i sp a p e r , c o l l o i d a lc o n c e n t r a t i o nw a s i s o l a t e df r o mw a t e rs a m p l e so fl a k e 碱h ub vu s i n gc r o s s f l o wu l t r a f i l t r a t i o n ( c f f ) t e c h n i q u e a n dc o l l o i d a lt r a c em e t a l s ( 1 k d 1 “【n ) ，s u c ha sc d ，c u ，p b ，f e ，m na n dz ni n l a k et a i h uw e r ei n a u g u r a l l yi n v e s t i g a t e db a s e do nt h e s t u d yo fc o l l o i d a lo r g a n i c c a r b o n ( c o c ，1 k d 1u m ) i ni t t h i st h e s i si n c l u d e st h ec o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa s f o l l o w s ： lc o n t e n t sa n ds e a s o n a lc h a n g e so fc o ci nt y p i c a ll a k ez o n e so fl a k e 珊h uw e r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r i tw a sr e v e a l e dt 1 1 a t ( a ) c o cc o n c e n t r a t i o ni ns p r i n gl a k et a i h u ， w h i c hi sal a r g es h a l l o wl a k e ，r a n g e df r o m 1 7 9 m g l - 2 0 5 m g l ，a c c o u t i n g f o r 8 11 2 2 13 o fd i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ( d o e ) a n dc o cc o n c e n t r a t i o ni ns p r i n g l a k e 啊h uw a sl o w e rt h a nt h o s ei nr i v e r sb u th i g h e rt h a l lt h o s ei no c e a na n de s t u a r i e s ( b ) c o n t e n t so fc o c i nm e i l i a n gb a y , a na l g a el a k ez o n eo fl a k et a i h u ，w e r eh i 出e s ti n s u m m e ra n dl o w e s ti na u t u m n b u tc o n t e n t so fc o ci ng o n g h ub a y , am a c r o p h y t e l a k ez o n eo fl a k et a i h u w e r eh i g h e s ti na u t u m na n d1 0 w e ri ns u m m e ra n dw i n t e r t h e r ew e r en os i g n i f i c a n td i f i e r e n c e si nc o cc o n c e n t r a t i o ni ns p r i n gb e t w e e nt h et w o z o n e s h o w e v e r c o cc o n c e n t r a t i o n si nt h ef o h r t e rw e r eh i g h e rt h a nt h o s ei nt h el a t t e r i ns u m m e ra n dw i n t e rb u t1 0 w e ri na u t u m n ( c ) “f ea c t i v i t i e so fp l a n k t o n ，e s p e c i a l l y p h y t o p l a n k t o n ，m a yb et h em a i ns o u r c e so fc o ci nl a k et a i h u a n dw i n d w a v e d i s t u r b a n c ec a nh a v ed i r e c to ri n d i r e c te r i e c t so nc o cc o n c e n t r a t i o ni ns u r f a c ew a t e ro f l a k et a i h ub e c a u s ei tc a ns i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c et h en u m b e ro fp l a n k t o na n dc o n t e n t s o fs u s p e n d e ds o l i d s ( s s ) i ns i l l f a c ew a t e ro fl a k et a i h u i nt h ep e r i o do fw i n d a t t e n u a t i o n ，t h e r ew a sn e g a t i v ec o r r e l a t i o nr e l a t i o nb e t w e e nw i n d w a v ed i s t u r b a n c ea n d c o cc o n c e n t r a t i o ni ns u r f a c ew a t e ro fl a k et a i h ut oac e r t a i ne x t e n t 2c o n t e n t sa n ds e a s o n a lc h a n g e so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l si nt y p i c a ll a k ez o n e so f l a k et h i h uw e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r i tw a sr e v e a l e dt h a tr a 、c o n t e n t so fc o l l o i d a l 订a c em e t a l si ns p r i n gl a k et a i h uw e r e0 4 6 o 8 6 l ( 2 2 3 o ft h et o t a l l yd i s s o l v e d p a r t i t i o n ) f o rc u ，2 0 6 8 2 4 肛g 皿( 2 6 3 ) f o rz n ，2 6 2 - 3 7 0 肛g l ( 2 0 7 ) f o rp b ， 3 4 8 2 4 7 9 l ( 5 8 9 ) f o rf e ，o 3 1 1 6 2 g l ( 4 0 4 ) f o rm n ，a n d6 7 1 - 1 7 9 4n g l ( 5 9 2 ) f o rc d a n da v e r a g e l y , t h ec o l l o i d a lc u ，p b ，f e ，m n ，a n dc do c c u p i e dl7 4 1 9 1 ，5 5 1 ，1 9 8 ，a n d5 2 8 o ft h e i rt o t a lc o n t e n t si n1 a k ew a t e rr e s p e c t i v e l y b y c o m p a r i s o n c o n t e n t so fc o l l o i d a lr a c em e t a l si nl a k et a i h uw e r eh i g h e rt h a i lt h o s ei n o c e a n ，s h o r t e rr i v e r s ，a n dl a g o o n se t c ，b u tw e r el o w e rt h a nt h o s ei nl o n g e rr i v e r s t h e s e i n d i c a t e dt h a tt h ec o l l o i d a lm a t e d a li nl a k e1 撕h uw a sa ni m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n g t h eb i o g e o c h e m i c a lc y c l i n go f t r a c em e t a l s ( b ) t h e r ew e r es i g n i f i c a n ts e a s o n a lc h a n g e s i nc o n t e n t so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l si nt y p i c a lz o n e so fl a k et a i h u s ow e r ed i f i e r e n c e s o fc o n t e n t so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l sb e t w e e nd i f f e r e n tl a k ez o n e s a sf a ra sm e i l i a n g b a yw a sc o n c e m e d ，c o n t e n t so fc o l l o i d a lp bw e r eh i g h e s ti ns p r i n ga n d1 0 w e s ti n s u m m e r , a n dc o n t e n t so fc o u o i d a lc d ，c u ，f e ，m na n dz nw e r el o w e ri ns p r i n ga n d l l i g h e ri na u t u m na n dw i n t e r f o ro o n g h ub a y , c o n t e n t so fc o l l o i d a lp bw e r eh i g h e s ti n s p r i n ga n dl o w e s ti na u t u m n ，a n dc o t e n t so fc o l l o i d a lc d ，c u ，f e ，m na n dz nw e r ea l l l h i 吐e s ti nw i n t e ra n di o w e ri no t h e rs e a s o n s 。c o t e n t so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l s n m e i l i a n gb a yw e r em o s t l yh i g h e rt h a nt h o s ei ng o n g h ub a yi ne a c hs e a s o n ，w h i c hm a y b ed u et ot h es e r i o u sh e a v ym e t a lp o l l u t i o no fm e i l i a n gb a y m o r e o v e r , p r o p o r t i o n so f c o l l o i d a lc d p b m na n dz ni ne a c hd i s s o l v e dp h a s ea n dt o t a lc o n t e n ti dm e i l i a n gb a y w e r ea l lh i 曲a rt h a nt h o s ei ng o n g h ub a y a n dd i f i e r e n c e so fc o n t e n t so fc o l l o i d a lt r a c e m e t a l sb e t w e e nt h et w o1 a k ez o n e sw e r ei n s i g n i f i c a n ti ns p r i n ge x c e p tf o rz n 3i nap r o c e s so fw i n dw a v e c h a n g e so fc o n c e n t r a t i o n so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l s i nl a k et a i h uw e r ed i s c u s s e d a n di tw a sr e v e a l e dt h a tc o n t e n t so fc o l l o i d a lm n ，c u a n dp bw e r ed i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h ei n t e n s i t yo ft h ew a v e w i n dd i s t u r b a n c e b u t c o n t e n t so ft h ec o l l o i d a lz nw e r ei n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt oi t h o w e v e r , c o n t e n t so f c o l l o i d a lf ew e r ea f f e c t e db vc o cp r i m a r i l ya n dt h ec o n t e n to ft o t a lf es e c o n d l v a n d t h e yw e r ef u n d a m e n t a l l yi n f i u e n c e db yt h ew i n d w a v ed i s t u r b a n c eb u th a dn oe v i d e n t a n dd i r e c tr e l a t i o nw i t hi t c o n c e n t r a t i o n so fc o l l o i d a lc dh a dn oe v i d e n tr e l a t i o nw i t h c o n t e n t so fc o c t o t a lc dc o n c e n t r a t i o n sa n dt h ew i n d - w a v ed i s t u r b a n c e 4e t i e c t so fh y d r o d y n a m i cd i s t u r b a n c eo nc o n t e n t so fc o l l o i d a lt a c em e t a l si n l a k er i 馘h uw e r es t u d i e ds i m u l a t i v e l y i tw a sr e v e a l e dt h a tc o n t e n t so fc o l l o i d a lt r a c e m e t a l si nt h eo v e r l y i n gw a t e rw e r ea l ii n c r e a s e dc o n t i n u o u s l ya f t e rd i s t u r b a n c eb e g a n ， b e i n gh i g h e s t a f t e r2 2h o u r s h e r e a f t e r , c o n t e n t so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l sw e r e f l u c t u a n t l yd e c r e a s e dd u r i n gt h e1 a s tp e r i o do fd i s t u r b a n e ea n ds e t t l e m e n te x c e p tf o rz n t h cm o d e le x p e r i m e n ta l s oi n d i c a t e dt h a tc o n t e n t so fc o l l o i d a lc di nt h eo v e r l y i n g w a t e rw e r ed i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h ei n t e n s i t yo fh y d r o d y n a m i cd i s t u r b a n c e ，w h i c h m a d eu pf o rt h el a e ko ff i e l di n v e s t i g a t i o n s c o n t e n t so fc o l l o i d a lc u p ba n dm ui nt h e o v e r l y i n gw a t e rw e r ea l s od i r e c t l yp r o p o r t i o n a l t ot h ei n t e n s i t yo fh y d r o d y n a m i c d i s t u r b a n c et os o m ee x t e n t b u tt h e r ew e r en oe v i d e n ta n dd i r e c tr e l a t i o n sb e t w e e n c o n t e n t so fc o l l o i d a lf ei nt h eo v e r l y i n gw a t e ra n dt h ei n t e n s i t yo fh y d r o d y n a m i c d i s t u r b a n c e t h e s ev e r i f i e dt h er e s u l t so ff i e l di n v e s t i g a t i o n s t h en e g a t i v er e l a t i o n b e t w e e nc o n t e n t so f c o l l o i d a lz na n dt h ei n t e n s i t yo f w i n d w a v ed i s t u r b a n c e w h i c hw a s f o u n di nt h ef o r m e rf i e l di n v e s t i g a t i o n s ，w a sa l s or e f l e c t e dt oac e r t a i ne x t e n ti nt h e m o d e le x p e r i m e n t 5 i n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o n t e n t so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l si nl a k e1 缸h uw e r e a l s od i s c u s s e di n t h i sp a d e r i tw a sf o u n dt h a tt h e r ew e r es i g n i f i c a n to re x t r e m e l y s i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o l t e l a t i o nb e t w e e nc o l l o i d a lp h a s ec o n t e n t so ft r a c em e t a l sa n d t h e i rt o t a lc o n c e n t r a t i o n si nl a k et a i h u ，t h e s ei n d i c a t e dt h a tc o n t e n t so fc o l l o i d a lt r a c e m e t a l si nl a k e 强h uw e r em a i n l yc o n t r o l e db yt h e i rt o t a lc o n c e n t r a t i o n s w h i c hm a yb e d u et ot h eh i g h e rc o n t e n t so fc o ci nl a k et a i h u a sa d s o r b e r s c o ca n di n o r g a n i c c o l l o i d s ( m a i n l yf ea n dm no x i d e ) a l s ow e r e n o tn e g l i g i b l ef a c t o r s w i n d w a v e d i s t u r b a n c ec o u l dh a v ed i r e c ta n di n d i r e c te f f e c t so nc o r i t e n t so fc o l l o i d a lt r a c em e t a l si n l a k et a i h u ，a n dw a sar a d i c a li n f l u e n c i n gf a c t o r k e yw o r d s ：l a k et a i h u ；c o l l o i d ；o r g a n i cc a r b o n ；t r a c em e t a l ；h y d r o d 3 ，n a m i c s ； i n f l u e n c i n gf a c t o r ；c r o s s - f l o wu l t r a f i l t r a t i o n 浙江大学博士学位论文张战平2 0 0 6 4 1 绪论 1 1 立题依据 1 1 1 胶体科学正在受到前所未有的重视 胶体科学是一门理论性和实用性很强的科学，在能源、信息、生物和环 境科学中都起着十分重要的作用，涉及到许多工农业、医学、生物和环境科 学中的重大问题。一般地，凡是在固、液、气相中含有尺寸在l n m - 1 0 0 0 n m 的固、液、气微粒的分散体系均属胶体科学的研究范围，这些体系都具有巨 大的比表面，胶体的各种现象基本都和它有关，所以，胶体科学也称为胶体 与界面科学( 江龙，1 9 9 6 ) 。 自1 8 6 1 年t h o m a sg r a h a m 将物质分为胶体与晶体以后，就诞生了胶体这 门学科( 江龙，1 9 9 6 ) 。百余年来，胶体科学有了很大发展，尤其在近三、四 十年来，一方面由于其研究的领域拓宽了，不仅仅局限于胶体领域，而已经 延伸到悬浮体这一广泛的概念，包括界面、表面和分散体等体系和现象；另 一方面因为各种产品的研究、开发及其性能的进一步提高，以及对某些环境 问题的澄清和解决等，都必然涉及到胶体科学，使得胶体科学越来越受到国 内外许多大学和著名公司的重视( 王相田等，1 9 9 6 ) 。所以，胶体科学是一门 古老而活跃的学科( 江龙，1 9 9 6 ) 。 1 1 2 胶体粒子在环境中具有独特的作用 关于胶体粒子，胶体化学中将其定义为：任何线形直径在l o 1 0 - 6 m 之 间的粒子( h i e m e n ze ta 1 ，1 9 9 7 ) ，即胶体粒子粒径的大小范围是l 1 0 0 0n l n ， 故也称为“纳米粒子。”另外，在经典的水化学中，0 4 5 u m 是区分溶解态和颗 粒态的界线。所以，也将胶体粒子定义为：能透过0 4 5 岬微孔膜但被分子量 截留或分子量保留为l k d ( 1 0 0 0d a l t o n ，相当于l n m ) 的超滤膜所保留的粒子 ( g u s t a f s o na n dg s c h w e n d ，1 9 9 7 ；k e y - y o u n ga n dg a r y ，2 0 0 1 ) ，此传统作法 目前已被许多研究者采用( k e y - y o u n ga n d g a r y ，2 0 0 1 ：z h a oe t a l ，2 0 0 3 ；张 恩仁等，2 0 0 3 ；李丽等，2 0 0 0 ；赵卫红等，2 0 0 4 ) 。而在实际研究工作中，更 多的学者则采用其操作定义( g u s t a f s s o na n dg s c h w e n d ，1 9 9 7 ) ，就是同一个 研究者也会在不同的研究工作中灵活地采用不同的操作定义。如d m 等在有的 研究中将胶体定义为l k d o ，2 0 4 9 m ( d a ie t a t ，1 9 9 8 ) ，有的定义为l k d l 岬 浙江大学博士学位论文 张战平2 0 0 6 4 ( d a ia n db e n i t e z - n e l s o n ，2 0 0 1 ) ，还有的定义为1 k d - 0 4 0 7 p , m ( d a ie ta l 2 0 0 0 ) 。 胶体粒子的结构决定了其有较大的表面交换吸附作用。在天然水体中， 数量巨大的胶体粒子可通过吸附一解吸过程同水体中的无机和有机物相结 合，从而直接或间接的影响着这些物质和元素的生物地球化学循环过程，比 如，胶体粒子可吸附水中的毒性化合物，进而发生沉降而除去之：胶体粒子 可影响水体中重金属元素的形态( s e r g i oe t a l ，1 9 9 6 ；d a ie t a l ，1 9 9 5 ：m a r t i n e t a l ，1 9 9 5 ) 、迁移( s e r g i oe t a l ，1 9 9 6 ：p a p e l i s ，2 0 0 2 ：b r i a n te t a l ，1 9 9 5 ： b a s k a r a ne ta t ，2 0 0 3 ：j a m e se la 1 ，1 9 9 9 ) 和生物可利用性( p a ne ta 1 ，2 0 0 2 ， 2 0 0 4 ) 等：胶体粒子还被认为是真正溶解相和颗粒相之间的联系。h o n e y m a n l 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ) 曾提出“胶体泵”( c o l l o i d a lp u m p i n g ) 或“布朗泵”( b r o w n i a n p u m p i n g ) 的概念，即物质通过胶体粒子中介由真溶解态向大的聚集物迁移的 过程。“胶体泵”过程也具有可逆性，即物质或元素通过胶体中介从颗粒相向 真溶解相迁移；另外，由于天然水体中的胶体粒子主要由有机物组成，其本 身也可被生物所利用。总之，胶体粒子在环境中，尤其是水环境中具有独特 的作用，已成为水环境科学重要的研究对象。 1 1 3 湖泊尤其是大型浅水湖泊水体中胶体的研究近乎空白 浅水湖泊是指水深在5 m 以内、夏季无明显水温分层的湖泊i x d o r f e ta 1 ， 1 9 9 7 ) 。太湖平均水深1 9 m ，实际水域面积为2 3 3 8 1 k m 2 ，是一个典型的大型 浅水湖泊( 秦伯强等，2 0 0 4 ) 。与深水湖泊和海洋相比，浅水湖泊单位体积的 湖水具有更大的水土接触面积，风浪等水动力作用对底泥的扰动更为频繁和 明显，加上其具有特殊的物质输入输出方式，所以，浅水湖泊中的胶体必然 有别于海洋等其它天然水体。就天然水体中的胶体研究而言，目前主要集中 在海洋、海湾、泻湖、河流及河口等多种水体( d a ie t a l ，1 9 9 5 ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ； g u oe ta 1 ，1 9 9 4 ；m a r t i ne t a l ，1 9 9 5 ；r a ne t a l ，2 0 0 0 ；王江涛等，1 9 9 8 ； 李丽等1 9 9 9 ；赵卫红等，2 0 0 4 ) ，而对于湖泊，尤其是浅水湖泊中胶体的含量、 粒度分布、稳定性及化学组成等胶体的物理化学特征未作过详细研究，而我 国在这一领域的研究则近乎空白，对于胶体态痕量金属的研究更是如此。从 这个意义上讲，本文以太湖为例研究浅水湖泊胶体有机碳本身就是一个创新， 2 浙江大学博士学位论文 张战平2 0 0 6 4 而胶体态痕量金属及其影响因素的研究自然也就是一个深入和创新。 本文将在太湖水体中胶体有机碳研究的基础上，对太湖水体胶体态痕 量金属的含量特征、季节变化及影响因素等进行系统的研究，这不但可加强 对浅水湖泊中胶体的认识，还可为正确、深刻地认识浅水湖泊中重金属的生 物地球化学循环过程，甚至为浅水湖泊重金属污染的防治及改善湖泊水质提 供基础资料和科学依据。 1 2 国内外天然水体中胶体的研究现状 近十几年来，随着超滤分离技术的应用，使得我们可以对天然水体中的 胶体进行相应的研究工作。同时，由于胶体粒子在天然水体中的广泛存在， 以及其固有的物理化学特性，使得其在海洋化学、环境科学和生物地球化学 等研究工作中成为研究热点许多研究者在天然水体特别是海洋胶体的研究 方面，已取得了不少成果。 1 2 1 国外天然水体中胶体研究现状 国外天然水体研究较多，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 关于天然水体中胶体粒子的物理化学特征方面的研究 这方面的研究主要集中在海洋。一般认为，海水中的胶体粒子中包括无 机物质和有机物质，无机物质主要是金属氧化物和粘土矿物质，有机物则包 括活有机体( 如病毒、细菌和酶等) 和非活有机体( 如蛋白质、碳水化合物、 脂类、腐殖质等) 。根据b u m e 等的研究，水体中胶体粒子的生成过程主要是 化学或生化反应的产物、生物尸体沉积物的再分散和土壤的物理化学风化， 其清除过程主要是胶体粒子的聚集和沉积、无机物质的再溶解、有机大分子 的水解和生物对胶体粒子的摄食( b u f f i ea n dl e p p a r d ，1 9 9 5 ) 。 国外许多学者对海水胶体粒子的数量、重量和粒径分布特征等进行了研 究。如w e l l s 等的研究表明，海水胶粒的粒径大部分在1 2 0 n m 以下，并趋向 于球形外观，粒径为5 - t 2 0 n m 的粒子数目在1 0 9 m l ，含量为o 0 3 0 0 9 m g l ； 同时发现胶体粒子的重量、数量随其粒径分布变化特别大，如在l n m 1 0 p m 的粒子中，l n m - 0 4 5 9 m 的粒子重量百分数约为1 5 ，o 4 5 l g m 的粒子重量 百分数为1 3 5 ，1 1 0 9 m 的粒子重量百分数约为8 5 ，并且其数量与粒径的 关系符合p a r e t o 定律： n ( d v ) = a l v t a d p = a d p 一” 浙江大学博士学位论文张战平2 0 0 6 4 式中，为粒子数；易为粒子直径；a 为常数；为常数( 约为3 - 4 ) ；另外， w e l l s 等通过电镜( t e m ) 分析发现许多胶体式2 - 5 r i m 粒子的聚集体，其中虽 然显示有痕量金属如铁、铝、钴等存在，但胶体粒子主要是有机的( w e l l sa n d g o l d b e r g ，1 9 9 1 ，1 9 9 2 ) 。i s a o 等( 1 9 9 0 ) 通过对海水胶体的研究发现海水中9 5 的胶体粒子( 0 3 8 l i a n a ) 为非生物体，数目为1 07 个m l ，大部分由有机物 质组成。这些研究结果表明，海水胶体粒子的特点是非生物的，含量低，数 目多，以有机物质为主。 一些学者还对水体中胶体粒子的吸附性质进行了研究，结果发现胶体粒 子在痕量金属和有机物的生物地球化学循环中有重要的作用( m a r t i ne ta 1 ， 1 9 9 5 ；r o s sa n ds h e r r e l ，1 9 9 9 ) 。另外，关于海水胶体的稳定性，也有学者进行 了研究。如b u f f i e 等( 1 9 9 5 ) 研究认为，小胶体粒子快速聚集形成疏散的大 聚集体，聚集速度很小时，则形成紧密结构的聚集体，这里的聚集速度是由 胶体粒子的碰撞效率决定的。同时，根据模型模拟计算表明，粒径小于0 1 9 m 的胶体很快聚集成o 1 l “m 的粒子而数量减少，粒径大于1 0 p m 的粒子则很 快沉降，结果是粒径为o 1 1 0 - t m 的粒子最稳定。m o r a n 等( 1 9 9 2 ) 利用2 3 4 t h 研究了海洋中不同粒径粒子的逗留时间，也得到类似的结果。 国外关于湖泊胶体的研究相对较少。如j a i m ep i z a r r o 等( 1 9 9 5 ) 利用透射电 子显微镜( t e m ) 和能量分散谱( e d s ) 研究了瑞士b r e t 湖水中亚微胶体粒 子聚集体的特征和形态。 ( 2 ) 关于天然水体中某些元素和物质的胶体相研究 这方面的研究也主要集中于海洋胶体，包括胶体有机碳、胶体有机氮、 胶体痕量元素、放射性核素及有机污染物等。其中，胶体有机碳( c o c ) 以 及与其相关的研究成为海洋胶体研究的一大主流，胶体有机碳储池的大小及 其来源核归宿是该领域的研究重点。 海洋胶体有机碳研究 胶体有机碳研究是随着溶解有机碳测定方法和胶体分离方法的不断改进 和发展而开展起来的，包括胶体有机碳的含量、来源和消耗等方面。比如， 在上世纪九十年代，许多学者研究了不同海区的有机碳在真溶解相、胶体相 和颗粒相中的分配( m a r t i ne t a l ，1 9 9 5 ；b e n n e re t a l ，1 9 9 2 ，1 9 9 3 ：g u oe t a l ， 浙江大学博士学位论文 张战平2 0 0 6 4 1 9 9 4 ) 。从已有的研究报道看，海水中胶体有机碳能占总溶解有机碳的5 4 5 ，c o c 的浓度和c o c d o c 比例一般从表层到深层逐渐降低( g u oe t a i ， 1 9 9 4 ) ；另外，有学者根据海洋中胶体有机碳( c o c ) 在藻类爆发前、中、后的 浓度变化，发现海洋中c o c 主要来源于海洋本身和浮游植物的光合作用的直 接释放( w e l l sa n dg o l d b e r g ，1 9 9 1 ：k p k a ye ta l ，1 9 9 3 ) ；a m o n 等( 1 9 9 6 ) 研究发现，对于高分子量溶解有机碳( h m w - d o c ： 1 k d ) 和低分子量溶解 有机碳( l m w - d o c ： l m g l ( g u oe la l ，1 9 9 4 ) 。由于胶 体粒径较小，比表面积较大，且富含大量的有机官能团，所以易吸附一些放 射性核素、有机物及痕量金属与之结合。一些学者对这些物质和元素的胶体 相进行了研究。如b a s k a r a n 等( 1 9 9 2 ) 发现m e x i c o 湾水体中天然2 3 4 t h 近8 0 存在于胶体相；b r o w n a w e l l 等( 1 9 8 6 ) 发现在一些海洋沉积物孔隙水中p c b 主要与胶体结合；m a r t i n 等( 1 9 9 5 ) 报道在v e n i cl a g o o n 近海岸水的总溶解 态痕量元素中有3 4 的c d ，4 6 的c u ，8 7 的f e ，1 8 的n i ，5 8 的p b ， 5 4 的m n 是以胶体态存在的。 ( 3 ) 关于天然水体中胶体粒子在水环境中的作用的研究 这方面的研究成果较少，主要表现在以下几方面： “胶体泵”( c o l l o i d a lp u m p i n g ) 或“布朗泵”( b r o w n i a np u m p i n g ) 作用( h o n e y m a ne ta 1 ，1 9 8 9 ，1 9 9 1 ；s t o r d a le t a l ，1 9 9 6 ) 。即物质通过胶体 粒子中介由真溶解相向大的聚集物迁移的过程。这个过程主要分两步进行， 浙江大学博士学位论文 张战平2 0 0 6 4 先是金属与胶体表面快速形成络台物( 如吸附) ，然后这些胶体慢慢聚集絮凝 成大颗粒。“胶体泵”过程也具有可逆性，即物质或元素通过胶体中介从颗粒 相向真溶解相迁移。例如，n e l s o n 等( 1 9 8 5 ) 报道天然水体中胶体有机碳会 大大阻碍还原钍在悬浮沉积物上的吸附：m a r t i n 等( 1 9 9 5 ) 曾发现在v e n i c l a g o o n 河水和海水混和过程中，实际测量的溶解相中的m n 未有原先设想的 絮凝现象。所以胶体粒子被认为是真溶解相和颗粒相之间的联系。 影响元素或物质在水中的存在形态和迁移。胶体粒子有很大的比表 面积和多种活性官能团，它们对痕量金属，特别是对过渡态痕量金属元素如 p b 、c u 、c d 有较强的吸附络合作用，进而对这些元素在水中的迁移和存在形 态。比如，胶体粒子可吸附水中的铜离子，絮凝沉降时可将其从水中除去 ( h i e m e n za n dr a j a g o p a l a n ，1 9 9 7 ) 。h o n e y m a n 等( 1 9 8 9 ) 的研究表明，胶体 物质越多，元素从水中迁出的速度就越快。另外，一些学者的研究发现，许 多元素和物质在天然水体中有相当比例是以胶体态存在( m a r t i ne t a l ，1 9 9 5 ： b a s k a r a ne ta 1 ，1 9 9 2 ：b r o w n a w e l le ta 1 ，1 9 8 6 ) 。 直接或间接促进生物生长。胶体粒子本身含有有机物质，还可能吸 附营养物质，理论上是可以被生物所利用的。