中国近海典型海域沉积物中无机碳的形态研究

碳循环是影响地球环境中能量循环和物质流动的重要过程，而由于人类活动带来的大气CO2浓度升高对生态环境带来一系列的影响，如温室效应、海水酸化及全球灾害性气候增加等。海洋是地球上巨大的碳库，近海海域是连接陆地和海洋两大生态系统的关键环节，它接受着河流输入的大量陆源物质，并通过物理、化学和生物过程与大洋进行各种物质和能量交换。经过对海洋碳循环的多年研究，人们对碳在大洋中的迁移转化获得了比较清晰的认识，但对生物地球化学过程极为复杂的近海的研究还存在较多的不确定性。 元素的存在形态对其迁移转化有着重要影响，为研究近海不同形态无机碳，本文采用连续浸取方法，根据无机碳在沉积物中的结合强度，将无机碳分为交换态、弱碱结合态、强碱结合态、弱酸结合态和残渣态，分析了渤海湾、四十里湾附近海域、大亚湾和南海北部海域等中国典型近海海域表层及柱状沉积物中不同形态的无机碳含量，并讨论了其与各地球化学参数之间的关系，得到如下结论： 在各个研究区，沉积物中总无机碳的平均含量分别为：渤海湾6.16 mg/g，四十里湾附近海域7.51 mg/g，大亚湾3.08 mg/g，南海北部海域11.66 mg/g。渤海湾潮间带沉积物的无机碳含量普遍高于潮下带沉积物，四十里湾附近海域柱状样沉积物中无机碳含量一般随埋藏深度的增加而增加，大亚湾沉积物低的无机碳含量可能与低的陆源物质输入有关，南海北部海域表层沉积物无机碳含量分布表现出明显的近岸低深海高的分布特征，高的无机碳含量明显受生物活动影响。 渤海湾沉积物中各相无机碳的平均含量为氯化钠相0.63 mg/g、氨水相0.74 mg/g、氢氧化钠相0.28 mg/g、盐酸羟胺相3.13 mg/g、残渣相1.38 mg/g。四十里湾附近海域沉积物柱状样各形态无机碳含量为氯化钠相0.54 mg/g、氨水相0.36 mg/g、氢氧化钠相0.13 mg/g、盐酸羟胺相6.46 mg/g、残渣相0.02 mg/g。大亚湾沉积物中各相无机碳的平均含量为氯化钠相0.45 mg/g、氨水相0.50 mg/g、氢氧化钠相0.46 mg/g、盐酸羟胺相1.51 mg/g、残渣相0.16 mg/g。南海北部沉积物中各相无机碳的平均含量为氯化钠相0.52 mg/g、氨水相0.30 mg/g、氢氧化钠相0.17 mg/g、盐酸羟胺相3.79 mg/g、残渣相6.88 mg/g。在所研究的大部分近海沉积物中，盐酸羟胺相是沉积物无机碳的主要形态，只有南海北部海域表层沉积物比较特殊。 渤海湾潮下带沉积物中，碱浸取相（氢氧化钠相和氨水相）无机碳与沉积物总有机碳（TOC）和总氮（TN）之间存在较为紧密的联系；潮间带沉积物中，含水率、TOC、TN和粒度等地球化学参数与前3相及残渣相无机碳均有较紧密的联系。四十里湾附近海域柱状沉积物中，沉积物各参数对不同柱状样各形态无机碳的影响差异较大，位于芝罘岛附近的柱状样B主要受粒度影响，含水率、TOC和TN对离岸较近的柱状样D的前两相无机碳和崆峒岛北侧的柱状样E的氯化钠相无机碳有较大影响，沉积物各参数对崆峒岛南侧的柱状样C和离岸最远的柱状样S的影响相对较小。大亚湾沉积物各形态无机碳受环境影响的程度比其它海域弱。南海北部沉积物中，TOC对各形态无机碳影响较强，其中的氨水相无机碳与沉积物各参数间存在较为紧密的联系。 对比各海域的研究结果发现，不同无机碳形态之间，碱浸取相无机碳之间常存在正相关关系，氯化钠相作为比较活泼的无机碳形态，与其它各相之间的关系具有不确定性，弱酸浸取相无机碳与无机碳总量的关系较为紧密，残渣相与其它无机碳形态的关系一般较弱，说明此相无

南海北部区域表层水微生物多样性及其分布特点研究

海洋中的微生物多样性是十分丰富的。南海北部区域表层水的微生物群落结构及物种多样性情况仍不十分清楚。本研究，采用构建基因克隆文库的方法，对该区域内表层水中的微生物多样性及分布特点进行研究。获得了8000多个细菌16S rDNA基因、真核微生物ITS 区基因及光合微型生物 psbA 基因单克隆。本研究结果表明：在南海北部区域表层水中存在两种不同微生物类群，即近海岸带海洋微生物类群和开阔海域海洋微生物类群。 16S rDNA基因克隆文库中，确定了507个OTUs。93.7% 的16S rDNA 序列定义在同一种水平上，1.4 %的16S rDNA序列定义在同一属的水平上，2.7%的16S rDNA序列定义在同一纲的水平上，1.2%的16S rDNA序列定义在同一门的水平上。值得一提的是有0.7%的南海表层水样品的16S rDNA 序列，属于目前数据库中的未知序列。系统育树分析表明这类序列可归属于4个不同的分枝群。与Venter’s Sorcerer II 海洋科考（马尾岛海域）的结果不同，南海北部区域表层水中，并没有发现SAR11分支细菌、丝状杆菌（Fibrobacter）和Rheinheimera细菌序列，但南海北部区域却发现了马尾岛海域未检测到的物种，如酸杆菌门、恐球菌-栖热菌门、厚壁菌门，硝化螺旋菌门，浮霉菌门以及疣微菌类细菌。除疣微菌外，其他5种细菌都是海洋环境样品中较为常见的细菌。变形菌门、蓝细菌及厚壁菌门细菌序列是南海北部表层样品16S rDNA基因克隆文库中的主要类群。 真核生物如浮游植物和海洋真菌是海洋表面生物质的主要组成部分之一。现有的研究多集中在环境样品的原核微生物的群落结构研究上，很少关注海洋微型真核生物的多样性及群落结构分布。本研究通过构建ITS基因克隆文库的方法，得到了3044条ITS序列，最终定义了1288个OTUs。其中，329个OTUs序列定义在同一种水平上，310个OTUs序列定义在同一属或纲的水平上，123个OTUs序列定义在同一门的水平上。值得注意的是有339个OTUs的序列，属于目前数据库中的未知序列。系统发育树分析表明它们分别归属于4个不同的分枝群。这表明以往对海洋真核微型生物的多样性仍知之甚少。盘菌亚门、体腔动物门和担子菌纲是南海北部表层样品ITS基因克隆文库中的主要类群。此外，在南海北部区域还发现了少数归属于绿藻、链形植物、定鞭金藻类、放射虫类、Stramenopiles、Typhlocoela、壶菌类、多孢囊霉目、子囊菌门、地位未定的物种、 酵母、领鞭毛虫门、不可培养的后生动物和海绵动物的ITS序列。 海洋初级生产力主要是依靠光合微型浮游生物进行光合作用完成的。利用新设计的psbA通用引物，对南海北部33个表层水样滤膜进行基因克隆文库建库分析，最终获得了南海北部区域表层水微生物多样性及其分布特点研究3062条部分psbA基因序列，并将其划分为957个 OTUs。其中蓝细菌和未培养的病毒序列在psbA基因库中的数量最多。本研究还发现了南海北部区域存在11个独立分支的新型psbA类群。研究证实psbA基因可以作为一种研究海洋光合微型浮游生物群落结构的指示基因。 克隆文库相似性分析发现，在所有的16S rDNA克隆文库中没有任意两个站点的克隆文库相似性超过50%。虽然N401和N420站点的16S rDNA克隆文库相似性最大，但它们在地理位置上并不接近。一些地理位置接近的站点，其16S rDNA克隆文库之间相似性比较接近。比如，海南岛区域的克隆文库之间就比较相似，且在同一分支。大多数地理环境相似的站点的16S rDNA克隆文库都聚在同一大分支上。例如，来自于珠江口区域站点的克隆文库之间的相似性比较接近，而且分布在一个大分支中；开阔海洋区域的16S rDNA克隆文库，也大多聚类在同一分支中。但也有例外的情况：比如 N107 和N400 站点的16S rDNA克隆文库，就聚类到一起，分析发现这两个文库中所处的环境都是甲烷产生区，其中都含有相似的与甲烷代谢相关的菌群。不过从整体来看，整个南海北部的细菌群落，大致分为两大类：中国大陆近海岸微生物群落和开阔海域微生物群落。33个ITS克隆文库的相似性分析发现：相似性在10%以下的类群，可以分成两大分支，而且该分类，比细菌群落的分布情况更接近南海北部的地理环境特征。对psbA基因克隆文库的相似性分析也验证了在南海北部区域表层水中存在两种不同微生物生态系统。 此外，本研究针对分子生态专业软件DOTUR程序在处理大量克隆文库数据时所遇到的

新型纳米材料及离子载体化学修饰电极的制备及其在痕量重金属检测中的应用

随着工农业生产的迅速发展，重金属污染问题越来越严重。由于重金属能 够在土壤、水体等环境中不断积累，并且通过食物链而进入人体内蓄积，因此对 人类健康构成潜在的危害。当人体内重金属含量过量时，会导致各种疾病的发生。 所以对痕量重金属污染物进行监测和分析，在食品安全、临床诊断和环境监测等 方面具有重要的现实意义。因此，研究快速、准确、灵敏、方便的检测重金属的 新方法十分必要。 近年来，化学修饰电极由于能够赋予电极新的、特定的功能，在提高电化 学选择性和灵敏度方面有着独特的优越性，因而成为电分析化学领域研究的热 点，并且被广泛应用于重金属元素的测定。但是，由于电极材料的限制，灵敏度 虽然有所改进，却始终很难达到一个新的高度。要提高化学修饰电极对重金属检 测的灵敏度，必须加入一些辅助的方法。 最近，纳米材料在很多分析方法中得到广泛应用，这些材料表现出很多它 们在常规尺度时所没有的独特的性质，如量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、 量子隧道效应以及介电限域效应等。因此，作为一种新型的电极材料在电化学检 测和分析方面受到人们的日益关注。由于纳米材料本身具有大的比表面积和高的 表面自由能，这种纳米材料修饰电极的灵敏度得到大幅度提高。 离子载体是一类具有一个特定空腔的大环分子，能够从溶液中实现对某一 特定离子的萃取使之进入到有机相中。离子载体是电位型传感器敏感膜中的核心 成分，尽管它具有很高的选择性，但是除了电位分析外，在其它方面的用途却很 少被关注，可能是由于其本身的非导电性能所致。本论文采用纳米材料所特有的 对重金属离子强大的吸附性能和离子载体优良的选择性，制备了纳米材料及离子 载体修饰玻碳电极并用来对实际水样中痕量的重金属进行检测。主要内容包括以 下几个方面： 1.制备新型碳纳米管/铋膜复合修饰电极，研究了重金属钴在电极上的电化 学性能。结果表明，这种新型复合修饰电极的灵敏度得到显著提高，能实现最低 检测限为8´10-11 M的钴的吸附富集溶出。 2.利用羟基磷灰石的强吸附能力和碳纳米管的优异电化学性能，制备了新型 新型纳米材料及离子载体化学修饰电极的制备及其在痕量重金属污染物检测中的应用 II 的碳纳米管-纳米羟基磷灰石的双纳米复合材料，并将其用于金属镉的富集溶出。 结果表明，双纳米复合材料具有比单一材料更优异的性能，更有助于金属镉的富 集溶出。采用碳纳米管-纳米羟基磷灰石的双纳米复合材料修饰电极，能实现最 低检测限为4´10-9 M的镉的富集溶出，灵敏度得到明显提高。 3. 将导电性好、抗氧干扰能力强的铋膜与对重金属具有良好选择性的离子 载体相结合，制备了基于铋膜/离子载体的新型修饰电极，研究了金属铅在其表 面的富集溶出。结果表明，这种新型修饰电极的灵敏度和选择性都大为提高，具 有更高的溶出峰电流和更好的抗干扰能力，可以实现最低检测限为4.4´10-11 M 的铅的富集溶出。 4. 利用羟基磷灰石的强吸附能力和其三维多孔结构、离子载体对重金属离 子优异的选择性以及Nafion 膜良好的离子交换作用和化学稳定性，制备了基于 纳米材料和离子载体的新型化学修饰电极。这种方法不仅有助于提高对金属铅的 选择性和灵敏度，而且大大提高了富集效率。采用该新型化学修饰电极，能够实 现最低检测限为1´10-9 M的铅的富集溶出。