导读：
天然有机质是地下水系统中控制碘活化的关键因素，有机质降解被认为是高碘地下水形成的重要过程。然而，目前对于高碘地下水系统中有机质分子组成特征知之甚少。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）是一种表征有机质分子组成的高分辨率分析手段，有助于深入理解地下水系统中有机质参与的生物地球化学过程及其在高碘地下水的形成过程中起到的关键作用。
有机质的生物地球化学过程与铁氧化物之间存在密切联系，铁氧化物是有机质最主要的赋存介质，而有机质降解会驱动铁氧化物还原性溶解。目前，针对高碘地下水的研究主要突出有机质或铁对碘在地下水系统中迁移富集的单一作用，而对于实际地下水系统中有机质与铁氧化物耦合作用对碘活化的影响机制，相关认识十分薄弱。本研究首次在长江中游故道发现原生高碘地下水，以FT-ICR MS有机质分子组成表征为主要手段，结合沉积物地球化学分析和砷、铁赋存形态分析，探讨了铁-碳耦合在沉积物碘活化过程中的影响，为地下水系统中碘的迁移转化提供了新的研究视角。
研究正文内容：
在长江中游故道选取一个典型高碘钻孔和一个典型低碘钻孔开展研究，表征沉积物中水溶性有机质（water-soluble organic matter, WSOM）和对应深度地下水中溶解性有机质（dissolved organic matter, DOM）的分子组成特征，分析两个钻孔沉积物中碘和铁的赋存形态，识别控制地下水系统中碘活化的关键机理。
（1）高碘地下水系统中有机质分子组成差异
通过FT-ICR MS数据，我们将有机质划分为五类，其中1、2、3类为高分子量有机质（多环芳烃、多酚和高度不饱和化合物），4、5类为低分子量有机质（脂类和饱和化合物）。高碘沉积物中有机质主要为高分子量有机质。与高碘沉积物中WSOM相比，高碘地下水中DOM分子量更小，沉积物中的天然有机质是地下水中DOM的主要来源，说明高碘地下水的形成过程伴随着高分子量有机质的降解（图1）。
图1 基于FT-ICR MS表征的地下水系统中不同类型有机质的堆积柱状图（来源：ScienceDirect）
（2）含水层沉积物中有机质与铁氧化物的相互作用
沉积物中非结晶态铁氧化物与碘和高分子量有机质具有高度一致的正相关关系，说明非结晶态铁氧化物更易吸附高分子量有机质，并且铁-碳复合物对碘具有较强的吸附性（图2a和c）。高分子量有机质与结晶态铁氧化物呈负相关关系，说明高分子量有机质的存在抑制了非结晶态铁氧化物向结晶态铁氧化物的转化（图2b）。结晶态铁氧化物与低分子量有机质的正相关关系说明结晶态铁氧化物会重新吸附高分子量有机质降解产生的低分子量有机质（图2b）。
图2 沉积物中不同类型铁氧化物与碘和水溶性有机质之间的相关性图（来源：ScienceDirect）
（3）地下水系统中铁-碳耦合对碘活化的影响
在沉积物中，铁氧化物对IO3-的吸附能力远远大于对I-的吸附能力，非结晶态铁氧化物由于其比表面积大，对IO3-的吸附能力是所有铁氧化物中最强的。高分子量有机质的降解和非结晶态铁氧化物的还原导致沉积物中IO3-的还原释放。由于高分子量有机质被降解，非结晶态铁氧化物的结晶化过程受到的抑制作用减弱，部分高分子量有机质产生的低分子量有机质会被结晶态铁氧化物重新吸附。非结晶态铁氧化物由于其比表面积小，结合位点少，吸附能力有限，不利于吸附高分子量有机质和碘，还原过程依赖于低分子量有机质作为电子供体。高分子量不饱和芳烃、多酚类有机质的降解促进了与其络合的非结晶态铁氧化物还原是控制沉积物中碘释放的主要过程。
图3 地下水系统中碘迁移活化的概念模型图（来源：ScienceDirect）
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原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151930
联系作者：邓娅敏，研究员，中国地质大学（武汉）环境学院，Email：yamin.deng@cug.edu.cn
