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磷化氢(PH3)作为环境中一种普遍存在的磷化合物已经得到证实,但由于自然环境中磷化氢的产生机制不明确,因此磷化氢在磷的生物地球化学循环中的作用和地位还没有明确的定论。目前国内外在湖泊、陆地土壤及大气中已开展了相应的研究,但是关于海洋生态系统中磷化氢的研究较少,磷化氢的时空分布特征还不明确。开展海洋沉积物中磷化氢行为的研究可为海洋环境中磷的生物地球化学循环及自然环境中磷化氢的产生机理提供基础数据和理论。
本论文在室内研究了大气环境因素及实验材料对PH3的吸附降解作用的基础上,确定了最佳实验条件确保野外采样的真实性和准确性,以江苏近岸海域为研究对象,以野外实验为主,通过采样分析沉积物中基质结合态磷化氢、磷形态及有机质的含量,考察其时空分布规律,最后分析了海洋生态系统中磷化氢与海洋环境因子之间存在的关系,进而探讨了磷化氢的产生途径和可能生成磷化氢的前体物类型。主要研究结果如下:
1.通过室内模拟实验研究了大气环境因素及实验材料对PH3的吸附降解影响。结果表明,磷化氢在蔽光的惰性环境及蔽光的野外空气环境下具有很好的稳定性,可长时间保存。光照下磷化氢自发降解的趋向比较明显,紫外线是诱导PH3自发进行降解的主要因素。蔽光下臭氧的存在可使磷化氢产生部分降解,高浓度的臭氧和高强度的紫外线辐射下可使磷化氢迅速降解。聚四氟乙烯材料和聚丙烯材料对磷化氢不产生吸附作用,医用注射器橡胶塞可吸附部分磷化氢。
2.磷化氢普遍存在于江苏近海的沉积物和大气中,磷化氢在沉积物中的浓度要比大气中磷化氢浓度高一个数量级。基质结合态磷化氢浓度范围在0.69ng/kg~178.83 ng/kg之间,在季节分布上,秋季磷化氢浓度要大于温度较低的春冬两季,春季浓度大于冬季,空间分布总体变化趋势为沿着港口及河口入海方向逐渐减少,但吕四港口海区除外。江苏近海海面大气中磷化氢浓度范围在0.14ng/m3~9.83 ng/m3之间,其空间分布规律不明显。
江苏近海沉积物中总磷的浓度范围在279.5 mg/kg~1669.2 mg/kg之间,无机磷的浓度范围在159.9 mg/kg~1458.0 mg/kg之间,有机磷的浓度范围在3.4mg/kg~267.2 mg/kg之间,有机质的浓度范围在1055.4 mg/kg~10651.8 mg/kg之间,港口及河口附近海区各形态磷及有机质含量较高,且沿着港口、河口入海方向逐渐减小。
3.相关性分析表明,江苏近海沉积物中磷化氢与各形态磷之间无明显的相关性,推断沉积物中磷化氢的产生除与磷形态有关外,可能很大程度上还取决于沉积环境,使得磷化氢与各形态磷之间难以呈现较好的相关性。近海沉积物中磷化氢与有机质间体现了较好的正相关性,富含有机质的沉积环境可为磷化氢的生成提供充足的能源及外在条件。大气中磷化氢与甲烷存在较好的相关性,而与氧化亚氮及氮氧化物之间无太大关联,磷化氢的产生可能与甲烷的产生途径存在联系,产甲烷细菌可能参与了磷化氢的合成过程,其机理还有待进一步研究。