2. 中国环境科学研究院, 北京 100012
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)指能通过0.45 μm孔径滤膜的由羟基(—OH)、醛基(—CHO)、羧基(—COOH)、氨基(—NH2)和羰基(—C=O—)等多种官能团组成的异质混合物[1]。DOM体积小, 但具有高度流动性、不稳定性和活性, 广泛存在于自然和工程水体中[2-3]。在自然水体中, DOM主要来源于陆域或水域的动植物残体、植物根系分泌物和藻类等[4], 经微生物分解产生有机分子混合物, 相对分子质量为几百到几万道尔顿之间[5]。DOM在水生物化学过程中起到至关重要的作用, 是重金属、营养盐和多环芳烃等物质迁移转化过程中的重要载体[4-5], 也是水生态系统中异养型微生物的重要碳源[6]。
目前, 国内外对于DOM的研究主要集中于其来源、分布、组成结构特征、迁移转化规律和生物毒性等方面[7-8]。研究所采用技术主要为紫外-可见光谱(UV-vis)、三维荧光光谱(3DEEM)、傅里叶红外变换光谱(FTIR)和体积排阻色谱(SEC)等技术的单独或集成应用, 并借助多元统计方法对DOM进行定量或定性表征[9-11]。光谱技术具有分析便捷迅速、样品前处理简单、成本低廉等优点[12], 是研究DOM元素、官能团、化学键和分子空间构型的主要表征技术[13]。李帅东等[7]采用UV-Vis和3DEEM技术对环滇池地区土壤中DOM结构特征及来源进行研究, 发现环滇池地区土壤以外源性、自生源特征不明显的类富里酸物质为主。
DOM由于其自身复杂性和多样性, 在光谱扫描中容易发生荧光重叠和干扰[14], 弱小荧光峰难以被识别。近年来, 平行因子法(parallel factor, PARA⁃ FAC)被广泛应用于DOM荧光特性分析, 该方法不仅能识别与分离3DEEM中受到干扰及重叠的荧光峰, 还能半定量表征DOM各荧光组分特征[15]。采用3DEEM技术结合PARAFAC法, 利用光谱指数对蘑菇湖水体DOM组成、特性和分布特征进行研究, 可了解蘑菇湖水生生态系统中DOM组成、特征结构变化和迁移, 为蘑菇湖TN、TP、重金属和有毒有害物质长期控制、环境变化预测以及环境管理措施制定提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况蘑菇湖(44°25'~44°29' N, 85°52'~85°58' E)位于新疆石河子市玛纳斯河畔, 由一片自然洼地形成(图 1)。蘑菇湖水库最大蓄水面积为31.6 km2, 设计库容为1.8亿m3, 正常蓄水位为390.80 m, 死水位为379.50 m, 年调节水量为1.94亿m3, 控制灌溉面积为800 km2。流域属于典型大陆性干旱气候区, 多年平均气温为7.4 ℃, 夏季极端最高气温为42.2 ℃, 冬季极端最低气温为-39.8 ℃, ≥10 ℃积温为3 570~3 729 ℃; 无霜期为168~171 d; 年平均降水量为210.6 mm, 主要集中在4—8月。蘑菇湖主要接纳农田退水和玛纳斯河洪水, 起到纳污、分流洪水和灌溉下游农田的作用。
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图 1 蘑菇湖上覆水采样点位分布 Fig. 1 Distribution of overlying water sampling points on Moguhu Lake |
于2017年10月使用2.5L Van Dom采水器在蘑菇湖水库滨湖区(采样点1~3)、浅湖区(采样点4~6)和深湖区(采样点7~8)水深50 ㎝处进行3次采样。将3次水样完全混合, 装入等容量聚乙烯塑料瓶中, 在4 ℃条件下避光保存, 运回实验室进行光谱扫描及理化性质检测。
1.3 实验方法将所采集水样过0.45 μm孔径醋酸纤维素滤膜后, 得到DOM溶液, 并将DOM溶液稀释到10倍, 以降低内部滤波器效应[16]。采用TOC分析仪(日本岛津TOC-L CPN CN200)测定样品DOC浓度, 采用荧光分光光度计(日立F7000)检测样品3DEEM。荧光分光光度计光源为150 W氙灯, PMT电压为700 V, 激发波长为200~450 nm, 发射波长为260~550 nm, 激发波长和发射波长狭缝宽度均为5 nm, 扫描速度为2 400 nm·min-1。荧光分光光度计根据拉曼信号自动校准, 并以奎宁硫酸盐单位进行标准化, 通过扣除空白水样、手动置零等方法消除拉曼散射和瑞利散射[17-18]。各采样点基本水质参数见表 1。
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表 1 采样点基本水质参数 Table 1 Water quality parameters at sampling points |
PARAFAC是基于三线分解理论、采用交替最小二乘法的一种多应用于三维及多维数据解析的数学方法[19]。采用MATLAB 2014a软件中DOMFluor工具箱进行三维荧光光谱矩阵的PARAFAC分析, 采用校正散射(瑞利散射及拉曼散射)检验去除异常值[19], 并采用裂半分析和残差分析检验PARAFAC模型有效性, 最终经过反复迭代确定合适的DOM组分数[20]。采用MATLAB 2017b软件中DOMFluor工具箱对DOM三维荧光光谱进行PARAFAC分析。
2 结果与讨论 2.1 光谱指数分析荧光指数(FI)指激发波长为370 nm时, 发射波长在450和500 nm处荧光强度的比值, 常用来指示DOM来源[21]。当FI值>1.9时, 表示DOM主要来自于由微生物分解的内源性代谢产物; 当FI < 1.4时, 表示DOM主要为经径流进入水体的陆源有机质[22]。由表 2可知, 各样点FI值为2.714~2.970, 平均值为2.850, 大于1.9, 这说明蘑菇湖上覆水DOM以微生物内源性代谢产物为主。自生源指标(BIX)指激发波长为310 nm时, 发射波长在380和430 nm处荧光强度的比值, 可用来表征DOM自生源特征和生物可利用性[23]。当BIX值>0.8时, 表示自生源明显; 当BIX值< 0.8时, 表示自生源不明显[23]。由表 2可知, 各样点BIX值为0.927~0.994, 平均值为0.970, 大于0.8, 这说明蘑菇湖上覆水DOM自生源贡献较强, 生物可利用性高。腐殖化指数(HIX)指激发波长为254 nm时, 发射波长在435~480和300~345 nm处积分值(或平均值)的比值[24]。HIX主要用来表征DOM腐殖化程度, 其值越大, 腐殖化程度则越高[25]。由表 2可知, 各样点HIX值为2.585~3.500, 平均值为2.910, 小于4, 这说明DOM腐殖化程度较弱, 自生源明显, 主要来源于藻类或细菌分解的短期有机质产生[23]。综上可知, 蘑菇湖上覆水DOM以微生物代谢产物为主, 腐殖化程度较弱。蘑菇湖上覆水DOM分子结构特征及组成应与采样时间和来水有关。蘑菇湖来水主要为城市生活污水和农业退水, 来水时间为8—9月, 温度较高, 微生物活动较强, 有机残体被微生物降解, 腐殖化程度较弱。采样时间为10月, 水温逐渐降低, 微生物活性降低, 加之蘑菇湖水流平稳, 自净能力较差, 致使有机质腐殖化进程受到抑制。这与张春华等[2]研究结果相似, 表明秋冬季节蘑菇湖水体中DOM主要为相对分子质量较小、腐殖化程度较低的富里酸和类蛋白。
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表 2 蘑菇湖水体DOM三维荧光光谱指数及均值 Table 2 Spectral index and mean value of DOM in Moguhu Lake |
综上所述, 光谱指数对蘑菇湖上覆水中DOM的来源及腐殖化程度具有较好指示性。由表 2可知, 蘑菇湖水体DOM来源以自生源为主(FI值>1.9), 腐殖化程度较弱(HIX值< 4), DOM不稳定, 不能长时间存在于水中, 易被微生物或细菌降解为营养源进入生态系统物质循环。DOM腐殖化程度受到自生源贡献的影响, 新鲜的DOM容易被降解为CO2和H2O等, 实现有机质向无机物的转化。
2.2 PARAFAC分析如图 2所示, 采用PARAFAC分析DOM三维荧光光谱得到4个荧光组分。各荧光组分激发波长和发射波长最大值见表 3 [7, 11, 19-20, 26-27], 并确定各组分荧光峰种类。
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图 2 蘑菇湖水体DOM三维荧光光谱以及激发和发射波长 Fig. 2 3DEEM spectra of DOM in Moguhu Lake water |
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表 3 4种荧光组分光谱特征 Table 3 Spectral characteristics of four fluorescent components |
组分C1(激发波长为260、350 nm, 发射波长为450 nm)包含2个激发峰和1个发射峰, 分别指示紫外光区类富里酸荧光和可见光区类富里酸荧光[7, 26], 分别对应传统的A峰(激发波长、发射波长分别为260和400~460 nm)和C峰(激发波长、发射波长分别为320~360和420~460 nm) [28]。A峰主要由相对分子质量较大、相对稳定的有机物质产生; C峰主要由相对分子质量较小、高荧光效率的有机物质产生, 易被氧化降解, 但两者都可能与DOM中羰基和羟基有关, 一般指示外源输入[7]。组分C4(激发波长、发射波长分别为250和480 nm)与C1同属紫外光区类富里酸荧光。
组分C2(激发波长、发射波长分别为275和350 nm)指示类色氨酸荧光, 与羧基官能团有关, 对应传统的T峰(激发波长、发射波长分别为275和340 nm) [29]。类色氨酸被认为是由微生物和细菌降解代谢产生的溶解性微生物代谢产物, 且易与大分子蛋白质结合, 也易与在同一蛋白质中结合的酪氨酸发生能量转移, 对荧光峰具有复杂影响[8]。一些如腐殖质中多酚化合物——木质素和没食子酸等非蛋白荧光物质, 也具有相似荧光峰, 这可能与其含有苯酚或苯胺结构有关[30]。
组分C3(激发波长、发射波长分别为300和400 nm)指示陆源或海洋类腐殖质荧光, 通常来自废水和农业, 结构复杂且稳定, 不易被微生物利用或光降解[20], 对应传统的M峰(激发波长、发射波长分别为290~310和70~410 nm) [28]。郭卫东等[29]认为M峰在陆地淡水中也有存在, 不应为海洋来源专有特征峰, 也有可能是由陆地向海洋中输入的有色溶解性有机质的主要物质。陆源或海洋类腐殖质相对分子质量大, 分子结构复杂, 相对稳定, 不易被微生物降解或利用, 芳香性大于富里酸, 其激发波长和发射波长存在一定红移[2]。
2.3 荧光强度分析荧光强度与DOM结构密切相关, 各荧光峰荧光强度可以间接揭示DOM含有的活性官能团及DOM性质[3]。较高的荧光强度可能与DOM含有简单、相对分子质量小的组分积累有关, 具有羟基、甲氧基、氨基等低芳香性、聚合度低的给电子基团; 而较低的荧光强度可能与DOM含有相对分子质量大的羧基、羰基等吸电子基团的组分积累有关[31]。通过PARAFAC分析识别出蘑菇湖上覆水DOM中C1、C2、C3和C4这4个组分, 组分C1和C4同为类富里酸物质, 其中组分C1为紫外光区类富里酸和可见光区类富里酸物质, 组分C2为类蛋白中的类色氨酸物质, 组分C3为陆源或海洋类腐殖酸物质[7, 26-27]。由图 3可知, 类富里酸在DOM中占主导地位, 其次为类色氨酸, 类腐殖酸所占比例最小。3种物质在不同采样点间的含量变化不大。
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图 3 各荧光物质最大荧光强度比例 Fig. 3 Percentage of fluorescence intensity of each fluorescent substance |
荧光指数(FI)与各DOM成分最大荧光强度(Fmax)之间存在一定相关性, 相关性越高, 则DOM组成越简单, 分子缩合度和芳香度越大, 活性官能团以低水平的共轭生色团为主[31]。FI与富里酸、色氨酸和腐殖酸的Fmax比例线形拟合结果见图 4。由图 4可知, 富里酸、色氨酸和腐殖酸与FI之间均存在正相关, 富里酸与FI的拟合结果(相关系数r=0.89, P < 0.01)最好, 富里酸与FI间呈显著正相关。蘑菇湖上覆水DOM的FI值>1.9(表 2), 这表明DOM以自生源为主, 相较于腐殖酸来说, 富里酸含有更多的羰基和羟基, 且相对分子质量也小。不同采样点中富里酸、色氨酸和腐殖酸含量差别不大(图 3), 这表明蘑菇湖上覆水DOM主要为含羰基、羟基等活性官能团的相对分子质量小, 且腐殖化、芳香性、分子缩合度较低的类富里酸物质。
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图 4 各DOM成分最大荧光强度与荧光指数（FI）相关性 Fig. 4 Correlation between components Fmax and FI |
光谱指数分析结果表明, 蘑菇湖上覆水DOM来源为以自生源为主的微生物内源性代谢产物(短期微生物分解藻类和动植物残体或分泌的有机质), 腐殖化程度较弱, 生物利用性较高。
根据PARAFAC法分析得到蘑菇湖上覆水DOM包含4种组分, 组分C1和C4同为类富里酸物质, 其中组分C1为紫外光区类富里酸和可见光区类富里酸物质, 组分C2为类蛋白中的类色氨酸物质, 组分C3为陆源或海洋类腐殖酸物质。
通过对各组分Fmax所占总组分比例与FI进行线形拟合发现, 各组分与FI均呈现正相关。其中, 富里酸与FI之间存在显著正相关(r=0.89, P < 0.01), 这表明蘑菇湖上覆水DOM以富含羰基、羟基等活性官能团, 相对分子质量小, 芳香性、腐殖化且分子缩合度较低的类富里酸物质为主, 色氨酸含量次之, 腐殖酸含量最低。
DOM的分子结构特征、组成含量、芳香性和腐殖化程度会影响有机污染物和重金属的迁移转化, 在地球化学循环中占据重要位置, 采用3DEEM结合PARAFAC法研究水体中DOM结构特征及腐殖化程度, 有助于为湖泊污染治理及修复提供科学依据。
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