Nghiên cứu về hợp chất hữu cơ trong các hồ lớn ở Laurentian Bắc Mỹ

. Trầm tích lắng đọng từ năm 1958 phản ánh ảnh h‡ởng 1981; Gschwend vμ Hites 1981; Gschwend 1983; Ho vμ Meyers 1994)

E -carotene Plantae Myxoxanthophyll Cyanophyta

10.8.1 Nghiên cứu về hợp chất hữu cơ trong các hồ lớn ở Laurentian Bắc Mỹ

Bắc Mỹ

Các hồ lớn ở Bắc Mỹ có diện tích mặt n‡ớc vμ thể tích lớn nh‡ng nông vμ l‡u vực của chúng nhỏ khi so với diện tích của hồ. Hồ Huron vμ Michigan cùng chung một nguồn n‡ớc, có sự t‡ơng tự nhau về hệ sinh thái nghèo dinh d‡ỡng vμ các quá trình trầm tích (Rea, 1981; Leenheer vμ Meyers, 1984). Hồ Huron có diện tích lớn hơn hồ Michigan (59530 kmP

2

P so với 57780 kmP

2

P

), nh‡ng độ sâu lớn hơn của hồ Michigan (trung bình 85 m) đã lμm cho thể tích của nó lớn hơn hồ Huron (trung bình 60 m). Cả hai hồ đều lμ đối t‡ợng của nhiều nghiên cứu khác nhau về tính chất địa hoá học của các hợp chất hữu cơ.

Bảng 10.6: Đặc điểm hợp chất hữu cơ của các hạt trầm tích thu đ‡ợc ở hai trạm hồ Michigan Tầng đo trầm tích TOC (%) Atomic C/N G13C (0/00) Dμi/ngắn n-Alkan Trạm 4P a P 15 m 16.0 20 -27.7 5.6 35 m 14.2 23 -28.8 6.2 80 m 6.4 9 -26.8 5.0 120 m 4.8 11 -26.2 1.3 140 m 8.8 21 -26.6 1.9 Trạm 11P b P 11 m 38.1 13 -29.2 6.0 31 m 45.8 21 -28.1 7.0 91 m 10.9 17 -27.5 5.0 146 m 4.8 8 -27.4 7.3 166 m 5.7 13 -27.8 7.1

Tỷ số dμi/ngắn n alkan la tổng của CB27B + CB29B + CB31B chia cho tổng của CB17B + CB19B + CB21B vμ đặc trong cho tỷ số của hydrocarbon bắt nguồn từ đất/noớc.

TOC, tổng loợng carbon hữu cơ

P a P phía Bắc hồ Michigan P b P

phía Nam hồ Michigan

Kích th‡ớc lớn của hồ Michigan cho phép nghiên cứu những thay đổi ngắn trong quá trình chìm lắng của hợp chất hữu cơ xuống đáy hồ ở các vị trí cách xa đất (chẳng hạn Eadie,1984; Meyers,1980; Eadie vμ Meyers;1993). Hμm l‡ợng cacbon hữu cơ của các vật liệu lắng đọng xuống đáy hồ giảm theo độ sâu trong khi đặc điểm của các hợp chất hữu cơ thay đổi rất ít (Bảng 10.6). Sự giảm đo đạc đ‡ợc hμm l‡ợng rất phù hợp với các tính toán về một l‡ợng lớn bị oxi hoá của các hợp chất hữu cơ trong trầm tích hồ trong quá trình chìm lắng từ tầng bên trên của hồ cho đến lớp sát đáy (Bảng 10.1).

Tổng l‡ợng vật chất chìm lắng xuống hồ ở phía bắc lớn hơn ở phía nam với mọi cấp mực n‡ớc (Bảng 10.6). Sự khác nhau về độ sâu, 145m ở phía bắc so với 171 m ở phía nam dẫn đến xáo trộn rối của các vật liệu đáy hồ lớn hơn ở vùng n‡ớc nông so với vùng n‡ớc sâu. Tuy nhiên, nguyên nhân chính lμ l‡ợng lớn hơn các

vật liệu tinh hơn đ‡ợc phân phối ở l‡u vực phía bắc nơi có các sông chảy vμo. Kích th‡ớc nhỏ của các vật liệu lắng đọng nμy cho phép chúng chuyển động trong thời gian dμi vμ dễ dμng bị lơ lửng trở lại tr‡ớc khi trầm tích xuống đáy hồ. L‡ợng cung cấp lớn hơn của các hạt khoáng trầm tích lμm cho hμm l‡ợng cacbon hữu cơ giảm đi ở phía bắc hồ (Bảng 10.6). Do đó, tổng khối l‡ợng cacbon hữu cơ chỉ ra rằng cacbon hữu cơ kết hợp với các vật liệu chìm lắng ở phía Bắc lớn hơn ở phía Nam. Khác nhau nμy lμ phù hợp với hμm l‡ợng các chất khoáng vμ các hợp chất hữu cơ trong phù sa đ‡ợc cung cấp lớn hơn ở phía Bắc so với phía Nam (Mackin cùng cộng sự, 1980).

Những thay đổi xảy ra đối với thμnh phần các chất hữu cơ của các vật liệu trầm tích lμ rất phức tạp, nh‡ng thông tin về nguồn gốc của chúng thì vẫn còn đ‡ợc giữ lại. Sự giao động của chỉ số C/N theo độ sâu cho thấy hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ đất vμ từ tảo có tốc độ biến đổi khác nhau. Trái lại, tỉ lệ đồng vị

P

13

P

C lại chỉ ra những ảnh h‡ởng rất nhỏ của các thay đổi nguồn hoặc sự kết hợp giữa các chất. Tỉ lệ dμi/ngắn của các hyđrocacbon mạch thẳng cho thấy hyđrocacbon có nguồn gốc từ đất nhiều hơn ở lớp bên trên của trạm 4 vμ ở toμn bộ các độ sâu phần phía bắc của hồ, nơi có l‡u vực đ‡ợc bao phủ bởi rừng. Tính toán tổng l‡ợng axit no mạch thẳng vμ hyđrocacbon no, mạch thẳng ở các trạm vμ ở hai độ sâu khác nhau ng‡ời ta thấy rằng tốc độ phân huỷ của axit gấp 10 lần tốc độ phân huỷ của hyđrocacbon (Meyers vμ Eadie 1993).

Giá trị P

15

P

N của các mảnh vụn thu đ‡ợc từ đo đạc cho thấy hoạt động của vi khuẩn cũng nh‡ quá trình tiền sử lý trong chuỗi thức ăn của các hợp chất hữu cơ luôn xảy ra trong quá trình chìm lắng của chúng xuống đáy hồ. Giá trị nμy biến đổi trong khoảng từ 3,3 đến 5,2P

0

P

/B00B Pang vμ Nriagu (1977) tính đ‡ợc giá trị

P

15

P

N của thực vật phù du trong hồ Superior trung bình lμ 1,6 P

0

P

/B

00B trong khi giá trị nμy của động vật phù du vμ hợp chất hữu cơ trầm tích t‡ơng ứng lμ 5,7 P

0 P /B00B vμ 5 P 0 P /B

00.BQuá trình biến đổi trong chuỗi thức ăn của hợp chất hữu cơ th‡ờng tạo ra một vμi phần biến đổi sang đồng vị nitơ nặng ở mỗi cấp dinh d‡ỡng (Fry,1988), cho phép ta đoán rằng hợp chất hữu cơ trầm tích hồ Superior có nguồn gốc lớn từ thực vật phù du vμ đã đ‡ợc sử dụng bởi hai hoặc nhiều hơn cấp dinh d‡ỡng. Điều nμy t‡ơng tự cũng xảy với trầm tích hồ Michigan vμ giá trị nμy đo đ‡ợc lμ từ 3 - 5 P

0

P

/B00B trong bảng 10.6 cho thấy quá trình nμy xảy ra chủ yếu ở lớp trên mặt n‡ớc nơi hμm l‡ợng hợp chất hữu cơ cacbon giảm rất nhanh. Số liệu trầm tích của các hồ lớn đã ghi lại thời gian biến mất của vỉa băng lớn thuộc thời kỳ Laurentian cách đây xấp xỉ 12 Kya. Mặc dù ở một số nơi tính liên tục vẫn tồn tại, nh‡ng số liệu th‡ờng bị ngắt quãng bởi các gián đoạn do sự hạ thấp mực n‡ớc, sói mòn ở đáy hồ, vμ những thay đổi mực n‡ớc hồ do ảnh h‡ởng đẳng tĩnh vμ sự giảm đột ngột của các kênh thoát n‡ớc (Rea 1980, 1981). Các mũi khoan trầm tích ở những vị trí gần với nhau th‡ờng chứa các giai đoạn lịch sử khác nhau của hồ, vμ do đó cho phép có những so sánh thú vị. Một vị trí ở hồ Huron, chẳng hạn, cung cấp số liệu liên tục của trầm tích trong 400 năm gần đây, trong khi đó một vị trí khác cách đó xấp xỉ 7 km lại ghi lại trầm tích

sét trong thời kỳ hồ bị đóng băng cách đây 12 Kya (Meyers 1980). Các hạt trầm tích kích th‡ớc tinh có hμm l‡ợng cabon hữu cơ, axit no đơn chức mạch thẳng vμ hyđrocacbon no mạch thẳng lớn hơn các hạt có kích th‡ớc thô (Thomson vμ Eglinton, 1978; Meyers vμ Takeuchi, 1979). Do vậy các loại đất sét ở lỗ khoan thứ 58 nghèo cacbon hữu cơ, axit béo vμ hyđrocacbon hơn lμ loại đất sét chứa trong bùn của lỗ khoan thứ 12 (Hình 10.26). Sự pha loãng của hợp chất hữu cơ do tốc độ trầm tích lớn của đất sét do sự đóng băng của hồ có lẽ đã lμm cho chúng có hμm l‡ợng thấp nh‡ vậy. Hơn nữa, các hoạt động sản xuất ở khu vực xung quanh xuất hiện ngay sau khi các tảng băng lùi đi d‡ờng nh‡ thấp hơn các thời kỳ sau nμy. Vì vậy, tỉ số thấp của các hyđrocacbon no mạch thẳng CB

29B/CB

17B ở lỗ thứ 58 cho thấy rằng vật liệu có nguồn gốc từ đất chiếm một l‡ợng nhỏ ở vị trí của lỗ khoan nμy. Trái lại, sự biến đổi của tỉ số CB29B /CB17B trong lỗ khoan 12 chỉ ra rằng sự đóng góp của cây có nguồn gốc từ đất vμ các loại tảo dao động trong 400 năm đã qua, vμ các hyđrocacbon có nguồn gốc từ đất th‡ờng chiếm ‡u thế. Biến đổi của các axit béo ở lỗ khoan 12 đ‡ợc ghi lại bởi việc tổng hμm l‡ợng của chúng bị giảm đi vμ trong thμnh phần phần trăm các axit không no. Cả hai tham số nμy đều thấp ở lỗ khoan 58, do biến đổi đã diễn ra rất mạnh ở những trầm tích giμ hơn ở lỗ khoan nμy.

Hình 10.26: So sánh thay đổi của tổng hμm l‡ợng cacbon hữu cơ (TOC), tổng hμm l‡ợng hyđrocacbon no mạch thẳng vμ axit béo, tỉ số hyđrocacbon no mạch thẳng n-CB29B/n-CB17B vμ tỉ lệ phần trăm axit không no trong hai lỗ khoan trầm tích phía bắc hồ Huron. Các trầm tích khác nhau về tuổi thμnh tạo, vμ thμnh phần lipit. Tuổi của lỗ khoan 12 đ‡ợc xác định lμ 400 năm dựa đồng vịP

210

P

Pb. Lỗ khoan 58 tồn tại một trầm tích hiện đại bao phủ lớp trầm tích sét trong thời kỳ hồ đóng băng 12 Ky tuổi.

Các nguồn của hợp chất hữu cơ trong 200 năm gần đây tới các hồ lớn đã bị thay đổi bởi việc thay thế thực vật trên l‡u vực bằng các trang trại, quá trình đô thị hoá vμ công nghiệp hoá ở các khu v‡c xung quanh hồ vμ sự giμu sinh d‡ỡng của một số nơi ria bờ các hồ. Những thay đổi nμy đ‡ợc ghi lại trong thμnh phần của hợp chất hữu cơ trầm tích. Một biến đổi của giá trị đồng vị P

13P P C từ -27 P 0 P /B00B trong trầm tích hồ Ontario lắng đọng tr‡ớc năm 1830 đến -24 P

0

P

/B

00B trong trầm tích trẻ hơn đã đ‡ợc giải thích bởi Sackett (1986) lμ do sự thay thế của các cây CB

3B bởi các cây nông nghiệp CB

liền với sự xuất hiện của các cây thụ phấn nhờ ong trong trầm tích hồ đồng thời ghi lại quá trình chặt phá rừng ở các khu vực lân cận. Giải thích tiếp theo về sự chuyển đổi sang tỉ lệ đồng vị cacbon hữu cơ nặng hơn trong trầm tích hồ ở l‡u vực Rochester thuộc hồ Otanrio có nguyên nhân chính lμ sự gia tăng các hoạt động sản xuất của tảo (Schelske vμ Hodell 1991), mặc dù thay đổi của thực vật trên l‡u vực đã xảy ra.

Một vμi nhân tố lμm cho hồ Ontario đặc biệt nhạy cảm hơn các hồ lớn khác trong l‡u vực sông Lawrence với các thay đổi về môi tr‡ờng. Hồ Ontario xấp xỉ 1/3 diện tích vμ thể tích của hồ Michigan hoặc hồ Huron, vμ do vậy dễ dμng bị tác động hơn những hồ lớn hơn. Diện tích của nó lμ 19000 kmP

2

P

vμ độ sâu trung bình 86 m. Hồ cũng lμ l‡u vực cuối cùng trong cấu trúc dòng chảy mμ n‡ớc thoát ra khỏi hệ thống các hồ lớn qua sông Lawrence. Do đó nó chịu tác động cuối cùng bởi các thay đổi đã xảy ra với bất kỳ hồ nμo trong hệ thống sông. Thμnh phần hợp chất hữu cơ trầm tích hồ Ontario đã ghi lại một số thay đổi đã xảy ra trong lịch sử hệ sinh thái các hồ lớn. Sự định c‡ vμ chặt phá rừng của những ng‡ời Châu Âu di c‡ giữa thế kỷ 19 đã lμm tăng hoạt động sản xuất đ‡ợc ghi nhận bởi sự tăng l‡ợng silic điôxit (SiOB

2B) vμ các chất hữu cơ tới trầm tích hồ (Schelske, 1983, 1988). Quá trình đô thị hoá của l‡u vực hồ Ontario sau năm 1940 đã lμm tăng các chất khoáng xuống hồ. Cacbon hữu cơ phân phát tăng lên gấp đôi vμ cacbon vô cơ tăng lên gấp 10 lần (Schelske 1988; Schelske vμ Hodell, 1991).

Những thay đổi nμy của nguồn ban đầu đã để lại dấu vết của chúng ở thμnh phần các geolipit trong trầm tích hồ. Đóng góp của các hyđrocacbon có thể chiết vμ các axit béo cho tổng l‡ợng hợp chất hữu cơ trầm tích gia tăng trong các trầm tích gần đây (Hình 10.27).

Đóng góp của hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ đất th‡ờng chứa tỉ lệ hyđrocacbon no mạch thẳng lớn hơn hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ các loại tảo trong n‡ớc (Cranwell 1987; Goossen 1989). Tỉ lệ của hyđrocacbon no mạch dμi có nguồn gốc từ đất so với hyđrocacbon no mạch ngắn tăng trong các trầm tích gần đây (Hình 10.27). Các axit no đơn chức mạch thẳng, dμi phân huỷ chậm hơn đáng kể so với các axit béo (Haddad, 1992; Meyers vμ Eadie 1993). Trầm tích hồ Ontario ở thế kỷ XX đã ghi lại quá trình phân phát của hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ đất. Cấu trúc nμy phản ánh sự gia tăng các đặc điểm đô thị hoá của l‡u vực hồ nơi mμ chất hữu cơ cùng với đất chảy xuống hồ từ trên các đ‡ờng cao tốc vμ n‡ớc thải sinh hoạt từ các khu dân c‡.

Ng‡ợc lại, nhân tố nμy cũng lμm tăng nguồn cung cấp chất dinh d‡ỡng cho quần thể thực vật trong hồ vμ lμm giμu dinh d‡ỡng cho n‡ớc hồ (Scheske 1983; Scheske vμ Hodell 1991).

Hình 10.27: Hμm l‡ợng của cacbon hữu cơ, hyđrocacbon (THC) vμ các axit béo (TFA) trong trầm tích l‡u vực Rochester hồ Ontario. Tỉ số của hyđrocacbon no mạch thẳng có nguồn gốc từ đất vμ từ hồ đ‡ợc biểu hiện bằng tỉ số các hyđrocacbon (CB27B+CB29B+CB31B)/(CB17B+CB19B+CB21B).

Một vμi nơi ở các hồ lớn trong l‡u vực sông Lawrence đặc biệt chịu tác động bởi các thay đổi về môi tr‡ờng do con ng‡ời gây ra. Trầm tích vịnh Saginaw, hồ Huron, chứa geolipit ghi lại quá trình đô thị hoá trong khu vực xung quanh hồ vμ sự giμu dinh d‡ỡng của vịnh. Đóng góp của geolipit mang dấu vết sinh học có nguồn gốc trong n‡ớc đã tăng từ năm 1900 (Meyers vμ Takeuchi 1981), vμ tỉ lệ t‡ơng đối của các r‡ợu no đơn chức mạch thẳng, sterol vμ các hyđrocacbon no mạch thẳng có nguồn gốc từ đất do vậy nhỏ hơn (Hình 10.28).

Hμm l‡ợng của phytol t‡ơng quan với chlorophyll. Do đó với khối l‡ợng sinh học của tảo (Schultz vμ Quinn 1974), trong khi đó đihyđrophytol bị sói mòn khỏi đất vμ có hμm l‡ợng không đổi trong trầm tích vịnh Sagiaw. Tỉ số

phytol/đihyđrophytol tăng cho thấy l‡ợng tảo đầu vμo tăng (Hình 10.28). Những thay đổi nμy ghi lại quá trình lμm giμu chất dinh d‡ỡng của vịnh Saginaw.

Các tμn d‡ dầu lửa ở cùng thời gian nμy trở thμnh các hyđrôcacbon chính trong trầm tích vịnh, có lẽ do chảy ra từ các ph‡ơng tiện giao thông hoạt động trên đ‡ờng nh‡ đã thấy ở trầm tích hồ Washington (Wakeham, 1976). Hỗn hợp phức tạp các chất không tan (UCM) thay đổi từ khi chỉ lμ một phần phụ sang lμ phần chính của tổng các hyđrôcacbon béo (Hình 10.28). Hμm l‡ợng UCM giảm khi khoảng cách đến bờ tăng (Meyers vμ Takeuchi 1979; Meyers 1984) cho thấy rõ nguồn tμn d‡ dầu hỏa đến hồ. Quá trình công nghiệp hoá vμ đô thị hoá trên l‡u vực sông Saginaw lμ nguyên nhân chủ yếu của nguồn các chất gây ô nhiễm nμy.

Các hyđrôcacbon có nguồn gốc từ dầu hoả nhìn chung đ‡ợc vận chuyển kết hợp với các vật thể trầm tích bị lơ lửng lại trong hồ St. Clair, Eric vμ Ontario. Hμm l‡ợng cao nhất đ‡ợc tìm thấy ở các trầm tích gần các thμnh phố chính vμ trong khu vực nơi mμ các hạt trầm tích tinh chìm lắng xuống đáy hồ (Nagy, 1984).

Hình 10.28: Thay đổi theo độ sâu của tổng l‡ợng cacbon hữu cơ vμ đặc điểm của lipit trong một lỗ khoan trầm tích vịnh Saginaw. Sự giaud dinh d‡ỡng ở thời kỳ hiện đại của hồ nμy đ‡ợc chỉ ra từ sự tăng của giá trị TOC, tỉ số phytol/đihyđrophytol vμ đầu vμo của r‡ợu no đơn chức mạch thẳng CB