探索环境科学 守护碧水蓝天

蓝蓝的天空，白云点缀；碧波般的湖水，鱼儿畅游，这样的美景，就是大自然最初的样子。只是，现在的自然环境，大不如前，污染让大自然变得面目狰狞，恶劣的环境，让人们意识到环保的重要性。中国科学院广州地球化学研究所研究员冉勇，用自己渊博的知识，广阔的视野，投身到环保领域，他用实际行动，成为一名孜孜不倦的探索者，用毕生所学，为推进中国的环保事业添砖加瓦。

冉勇研究员作报告

走入自然 让水污染无所遁形

水是生命之源。冉勇的研究工作就是从水污染课题开始的。众所周知，近几年来，中国的水环境的形势虽然有所改善，但依然十分严峻。水资源丰富的珠江三角洲出现水质性缺水，涉及饮水安全的水环境突发事件频频被报道。

为了更好的进行研究，冉勇将珠江三角洲作为样本，揭示其水污染的组成及相关影响因素，对水污染，真正做到，知其然又知其所以然。

通过大量的研究 ，他发现以前的水体污染主要与碳、氮、硫、磷和重金属元素等有关。而随着工业的发展，新型和持久性有机污染物逐渐扩散到水体中，与传统污染物一起构成难以修复的水体污染。

针对珠江三角洲的水体污染情况，冉勇用连续过滤装置从东江、西江、北江等不同断面和水产养殖区等水体采集了水柱样品和沉积物、颗粒物，应用核磁共振光谱、有机分子标记物、稳定性和放射性碳同位素等分析技术，表征珠江下游水体中悬浮颗粒物、胶体和沉积物有机质的化学成分、结构和形态，研究珠江水体中主要毒害有机污染物，如多环芳烃、多溴联苯醚的迁移、沉降和归宿过程。

持久性有机污染物（POPs）是一类具有范围大、危害性多和在环境中存留时间长的毒害性有机化合物。科学界认为POPs在生态系统中的不断累积，量变最终会导致质变，当达到一定积累后，将会引发不可估量的环境灾难。

多环芳烃和多溴联苯醚均是典型的持久性有机污染物。其中，多环芳烃是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的挥发性碳氢化合物，相当一部分具有致癌性。而多溴联苯醚更是一类环境中广泛存在的全球性有机污染物，由于其具有持久性、毒性和潜在的生物蓄积性备受关注，对其环境问题的研究已成为当前环境科学的一大热点。

胶体和颗粒物有机质（COM和POM）对全球碳循环过程有很重要的影响，因此了解它们的来源和结构有助于理解它们在生物地球化学循环中的重要作用。采集了珠江流域不同营养状态的典型水库、湖泊和河流中COM和POM的样品，应用元素分析、叶绿素a（Chl a）、放射性碳和稳定碳同位素以及高级固态核磁共振技术进行表征，并探讨其来源与结构的关系。C/N比值和稳定性碳同位素δ¹³C值表明，浮游生物和土壤有机质是COM和POM的两个主要来源，而Chl a和放射性碳同位素分析结果则表明浮游藻类和古老有机质对COM和POM具有显著的贡献。COM和POM的结构参数以及Chl a和¹⁴C值之间的相关性分析表明浮游植物对COO/NC=O结构有较大的贡献，OCH₃/NCH、非极性烷基碳和含氧芳香碳基团来源于难降解的古老有机质，而烷氧基和二烷氧基主要来源于不稳定的现代有机质。本研究首次提供了证据表明COM和POM的化学结构主要受富营养化状态以及浮游藻类和古老有机质来源的影响。

应用各种先进的固态核磁共振技术研究了太平洋和大西洋表层海水中两种超滤溶解有机质（UDOM）样品的化学和纳米结构，并与两种浮游藻类（金藻门棕囊藻(Phaecystis sp.)和硅藻门中肋骨条藻(Skeletonema costatum) )产生的UDOM样品的化学结构进行比较，以阐明海洋UDOM的精细化学结构，并探讨浮游藻类来源的UDOM作为海洋UDOM来源的可能性。结果表明：（1）尽管来自不同的海洋，但两个海洋表层水UDOM样品具有非常相似的结构，而两个浮游藻类UDOM样品的结构却具有明显的差异，其结构也不同于海洋UDOM。（2）首次发现海洋UDOM中存在与糖结合的COO基团，其含量与氨基酸残基和N-乙酰基糖相近。（3）与浮游藻类UDOM相比，海洋UDOM的碳水化合物和氨基酸较少，但COO、N-乙酰糖、腐殖化合物和烷基碳较多。应用X射线光电子光谱（XPS）、高级固态核磁共振(NMR)以及超高分辨傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)技术进行表征，从分子水平表征其结构。

为了研究不同营养化水体中多溴联苯醚和多环芳烃的沉降通量和生物富集，冉勇选择广州市区高度营养化的流花湖（LHH）和中度营养化的联安水库（LA）作为研究对象。发现，水体中多溴联苯醚的污染水平受水体富营养化水平的影响，且水体中藻类和浮游动物对其有良好的富集效果；而多环芳烃的沉降通量主要受颗粒总有机碳（TOC）沉降通量的控制，水体富营养化程度对其的分布也有一定的影响，富营养化程度越高，其含量也相对较高，并倾向于吸附在有机质中，并随颗粒物在水体中迁移。

此外，冉勇对珠江三角洲有机质进行了研究。发现中性糖是沉积物中普遍存在的化合物，也是沉积物中有机碳的重要组成。研究结果表明，中性糖主要来源于藻类，且在特定的环境和条件下，能够为有机质的来源和早期成岩提供证据。

通过分析联安、增塘、新丰江水库沉积物柱中多环芳烃的含量及历史变化趋势，以及珠江三角洲地区近几十年来的气候变暖，导致富营养和中富营养水库中脂肪含量较高的藻类增加，而这些藻类吸附或吸收较多的疏水性有机污染物多环芳烃，造成水体底部沉积物中燃烧多环芳烃含量的上升。

探索大自然奥秘，揭示难降解生物大分子的来源和分子结构

藻质素是一种高度脂肪性的，不溶性的，不可水解的生物聚合物，可以经受生物降解和化学转化，从而在成岩过程中选择性保存，并最终成为干酪根的一部分。他的课题组以购买的小球藻粉为原料，通过不同的化学/物理方法提取藻质素（algaenan），包括三氟醋酸法、仲高碘酸钠法、球磨机法、以及球磨机-仲高碘酸钠联合法等。应用元素分析、纳米孔分析、Rock-Eval热解分析以及¹³C交叉极化/总边带抑制(CP/TOSS)核磁共振(NMR)光谱编辑技术对提取的NHC进行了详细的表征。结果表明：仲高碘酸钠法在产率、纳米孔体积以及氢指数等较高，而三氟醋酸法提取的algaenan结构更符合藻质素。

他的课题组对两个实验室培养藻类 (绿藻类)和两个野外收集浮游藻类(蓝藻为主)样品进行化学分级，得到类脂(LP)、去脂类 (LPF)、碱不可水解有机碳(ANHC)和酸不可水解有机碳(NHC) 组分，应用元素分析、¹³C交叉极化/总边带抑制(CP/TOSS),¹³C核磁共振(NMR)光谱编辑技术、分析、X射线光电子光谱表面元素(XPS)分析和Rock-Eval热解分析。结构表明，NHC组分的结构与文献中报道的结构非常相似。我们首次发现，野外收集的富含蓝藻的浮游藻类样品中，含有与藻质素非常相似的脂肪性非水解生物聚合物，可通过选择性保存作用成为干酪根的一部分。去除多糖和蛋白质后，¹³C NMR 数据表明NHC组分中的产油潜力显著提高。核磁共振和Rock-Eval数据分析表明，本研究中分离得到的NHC (藻质素)组分具有较高的产油潜力。NHC组分中仅检出少量的氮、硫、氧，进一步说明了NHC (藻质素) 组分可以产生高品质的油。对广州流花湖采集野外收集中的GP_NHC组分进行热解分析，结果表明GP_NHC具有较高的产油潜力，其分子结构中含有一个长的直链饱和碳氢链(最高可达C33)结构单元。GP_NHC最大的液态烃和气态烃含量(分别为55.9%和7.2%)，与应用¹³C核磁共振估算出的产油碳和产气碳(分别为57.4%和7.8%)的含量非常相近,表明¹³C核磁共振是一种有效评估GP_NHC组分产油产气潜力的方法。他们对富含脂肪的NHC组分的结构性质以及裂解机理的探讨研究，对了解干酪根形成机理以及生产高品质生物燃料具有重要的理论指导意义。  

为全面了解页岩中产油产气的母质贡献情况以及模拟实验中矿物基质对页岩中干酪根产油产气的影响，他的课题组选用了未经抽提的茂名页岩全岩样品(RJ)、 由该页岩制备得到的未抽提干酪根(K0)和抽提后的干酪根(K1)作为研究对象，在封闭金管系统中进行人工热解实验，升温速率为2 ℃/h。在300 ~ 440 ℃取10个温度点收集产品，通过称重测定实验中可溶性有机物和残留干酪根的含量。同时，对RJ、K0和K1进行Rock-Eval热解分析，对热解产物（气态烃组分、轻烃组分以及C¹⁴⁺组分）进样分析，确定裂解产物的结构。

深入探索 展示界面地球化学过程

大自然的构成是极其复杂的，污染问题的解决需要多学科共同推进。地球化学的出现，成为解决污染问题的一把钥匙，利用地球化学研究生态环境治理问题已成为一个趋势。

冉勇就是这项探索的先驱者，他以天然有机质作为研究切入点。天然有机质对进入地表系统中持久性有机污染物的环境行为和归宿具有关键控制作用。通过多年研究，冉勇及其团队逐渐认识到了天然有机质的复杂性与不均一性，突破了环境科学与工程领域中普遍接受的线性分配/吸附理论，同时，他们揭示了有机污染物在一些地质吸附剂上非线性吸附解吸、解吸滞后与慢吸附—解吸等现象的机理。

冉勇在研究中不断自我突破，他率先使用苯蒸气、CO₂气体吸附技术研究了沉积物、干酪根、不同成熟度煤、不同成熟度页岩的微孔性、有机质结构以及与菲的吸附行为之间的关系。结果表明苯和菲的微孔吸附体积显著正相关，但苯的吸附体积比菲的吸附体积高，证实了分子筛在孔填充过程中起重要作用，矫正了前人对微孔体积的低估，发展了微观界面吸附理论。

此外，他还修正了疏水性有机污染物在聚合有机质上的吸附机理，初步建立有机质的表面吸附理论；应用CO₂气体吸附新技术，首次揭示了微孔充填机理在聚合态有机质吸附毒害有机污染物中的重要作用，以及微孔扩散对吸附动力学的制约；应用核磁共振技术，首次研究了花粉及其孢粉素有机质芳香和脂肪区域、成分以及可及性在菲吸附机理的联合作用；研究了藻类对菲和壬基酚的吸附容量与其脂肪结构和极性官能团密切相关，揭示了氢键等专性作用可能是导致菲和壬基酚吸附差异的主要因素；揭示河流中胶体质在微量元素迁移、循环和归宿中的重要作用，并首次研究和明确了金、稀土元素在铁锰氧化物和腐殖质表面的专性吸附机制。

选择了科研，就选择了一辈子的事业，冉勇对大自然的探索从未有一刻停歇，20多年的研究，让科研成为冉勇的生活，未来，他将继续投身中国的环境科学事业，为守护碧水蓝天贡献自己的力量。