太湖水體溶解性有機質(zhì)熒光特征及分析對防止水體污染的意義

　　1 引言

　　溶解性有機質(zhì)(Dissolved Organic Matter，DOM)是一類含有富里酸、腐殖酸、芳烴聚合物質(zhì)等可溶性的有機質(zhì)，能夠反映水體性質(zhì)組成，對生態(tài)系統(tǒng)有重要作用.DOM含有豐富的碳、氮、磷等生源要素，在湖泊系統(tǒng)中，其在各種物理、化學和生物以及藍藻水華爆發(fā)過程中扮演十分重要的角色.DOM兩個主要來源分別是陸源輸入和生物內(nèi)源釋放，前者主要來自降水、入湖河水、污水 處理廠廢水以及直排生活污水等，但近些年來，管理部門加大對工業(yè)廢水以及生物污水的達標排放，外源污染逐漸得到控制，而后者來源主要為水生植物、藻類和細菌等分泌、排泄物及其殘體分解產(chǎn)物.與外源相比，內(nèi)源DOM富含豐富的碳水化合物，較易降解，且參與微生物食物鏈中物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化及能量傳遞，對初級生產(chǎn)力具有顯著貢獻.有研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源DOM是湖泊藻類爆發(fā)過程中營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，對湖泊內(nèi)源DOM化學結(jié)構(gòu)的表征和分析是研究其遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在.

　　近些年來，三維熒光光譜技術(shù)以其樣品用量少、重復性高、靈敏度高、不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，被廣泛應用于湖泊沉積物、水體及植物DOM組成結(jié)構(gòu)及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究.另外，3DEEM分析結(jié)合其他的數(shù)據(jù)分析方法(如：平行因子分析法)，研究水體中DOM特征及其來源，為認識湖泊水體中DOM提供了新的可能.而對于典型富營養(yǎng)化淺水湖泊(太湖)而言，3DEEM技術(shù)結(jié)合平行因子法被應用于太湖水體、沉積物DOM的組成結(jié)構(gòu)、來源以及分布規(guī)律研究.除了沉積物中累積有機質(zhì)的降解釋放，水生植物和藻類生長過程中分泌物、死亡殘體降解等也對太湖水環(huán)境中DOM產(chǎn)生了重要的影響.尤其是水生植物在太湖中廣泛分布，例如東太湖水生植物可占太湖總水生植物的74%.然而，對太湖水體、沉積物釋放、水生植物和藻類殘骸腐解后產(chǎn)生的DOM化學和光學特性的差異及其相互關(guān)系研究十分有限.故本研究利用3DEEM技術(shù)結(jié)合平行因子分析法(PARAFAC)，分析太湖水體DOM的組成結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，研究沉積物的釋放以及藻類和水生植物殘骸降解對水體中DOM熒光組成特征的影響，以期為深入理解內(nèi)源污染對富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境行為特性提供科學依據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 樣品采集與處理

　　2015年5月18—28日在太湖8個典型區(qū)域(竺山灣、梅梁灣、貢湖灣、東部區(qū)、東太湖、湖心區(qū)、西南湖區(qū)和南部沿岸)采集表層水(水面以下0.5 m)和藻類、水生植物及表層沉積物樣品(圖 1).水質(zhì)基本參數(shù)(pH、溶解氧、水溫、電導率)現(xiàn)場測定，測定結(jié)果見表 1.采集后的樣品置于冷藏箱中黑暗低溫保存，并立即送往實驗室.其中，水體樣品采用玻璃纖維濾膜(GF/F，Whatman，UK)過濾，并進行溶解性有機碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)含量測定及3DEEM、紫外吸收系數(shù)UV254的分析.

　　　　圖1 太湖水體采樣點分布

　　　　表1 太湖采樣點坐標及基本水質(zhì)參數(shù)

　　8個點位的藻類、水生植物和沉積物樣品分別等量混合為3個樣品，分別放置錐形瓶中加入超純水后密封，置于人工氣候室中，光照條件：3000 lx;明暗周期12 h ∶ 12 h;溫度(22±1)℃，實驗中所有玻璃儀器經(jīng)HCl浸泡24 h，洗凈后高溫滅菌(160 ℃，1 h).取樣時間為培養(yǎng)前0 d和培養(yǎng)后10 d的上午10:00，使藻類和水生植物自然死亡腐爛分解，沉積物自然釋放，培養(yǎng)前和培養(yǎng)后每個處理各取20 mL液體，經(jīng)玻璃纖維濾膜(GF/F，Whatman，UK)(450 ℃，灼燒4 h)過濾后用于3DEEM的分析測定.

　　2.2 三維熒光、DOC及UV254的分析測定

　　3DEEM測定采用HITACHI F-7000熒光分光光度計(1 cm石英熒光樣品池).激發(fā)光源：150 W氙弧燈;PMT電壓：700 V;信噪比>110，;響應時間：自動;帶通(B and pass)：激發(fā)波長λEx=5 nm，發(fā)射波長λEm=5 nm;掃描速度：2400 nm · min-1;掃描光譜進行儀器自動校正;水樣掃描波長范圍：λEx=200~400 nm;λEm=250~500 nm，藻類和沉積物樣品掃描波長范圍：λEx=200~450 nm;λEm=250~600 nm，水生植物樣品掃描波長范圍：λEx=200~600 nm;λEm=250~800 nm;測定前，保持溫度恒定(恒溫水浴20 ℃±1 ℃);以Milli-Q超純水做空白;實驗過程中每隔5個樣品，利用Milli-Q超純水的拉曼光譜強度監(jiān)控熒光儀的穩(wěn)定性，同時利用0.01 mg · L-1硫酸奎寧進行熒光定標.

　　水樣UV254的測定采用Agilent安捷倫8453紫外可見分光光度計，以1 cm比色皿Milli-Q超純水做空白，同時測定溶液在254 nm和365 nm處的吸光度，利用其差值消除懸浮物吸光度值測定的影響.另外，采用TOC測定儀(Multi N/C 3100，德國)分析水體樣品中DOC濃度.

　　2.3 數(shù)據(jù)分析

　　在Matlab中使用DOMFluor工具箱運行PARAFAC法模型對采樣點的3DEEM數(shù)據(jù)進行分析，采用SPSS 11.5軟件進行均值、標準差等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，3DEEM光譜圖用Sigmaplot12.0軟件進行處理.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 太湖DOM主要熒光峰

　　不同湖區(qū)水體采樣點和降解實驗DOM三維熒光樣品檢測后，共得到8種熒光組分，見表 2.其中T1、T2、B1、B2合稱為類蛋白熒光峰，T1、T2峰反映的 是生物降解來源的類酪氨酸物質(zhì)，代表與微生物降解產(chǎn)生的芳香性蛋白類結(jié)構(gòu)有關(guān)的熒光基團.而B1、B2峰反映的是生物降解來源的類色氨酸物質(zhì)，與DOM中的芳環(huán)氨基酸結(jié)構(gòu)有關(guān).而F、M、C、A峰反映的是類腐殖酸、類腐殖質(zhì)及可見區(qū)和紫外區(qū)的類富里酸，代表較難降解的DOM，與類富里酸熒光和腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的羥基和羧基有關(guān)，一般來自于陸源，也可能來源于原位細菌降解過程中細菌呼吸作用的副產(chǎn)物.有研究學者發(fā)現(xiàn)，浮游植物原位降解產(chǎn)生的DOM中包含大約25%的類腐殖質(zhì)熒光.本研究中出現(xiàn)的熒光峰與劉明亮、宋曉娜等對太湖DOM三維熒光光譜分析得到的熒光峰類型一致.

　　表2 溶解性有機質(zhì)的主要熒光峰及相應位置

 　　3.2 太湖水體DOM熒光特征及熒光強度

　　太湖水體均不同程度的出現(xiàn)了代表類色氨酸熒光物質(zhì)的T1、T2峰：T1峰強度南部沿岸8#>梅梁灣2#>貢湖灣3#;T2峰強度南部沿岸8#>竺山灣1#>梅梁灣2#>貢湖灣3#;其余區(qū)域T1、T2峰相差不大.這可能是因為太湖南部沿岸接納了湖州市大量工業(yè)廢水和生活污水，使大量DOM進入湖區(qū)內(nèi)，同時，西南湖區(qū)靠近宜興市，且分布著大量的入湖河流(如大浦河等)，其順流而下流入南部區(qū)，最終 造成南部沿岸水體營養(yǎng)鹽豐富，微生物活動比較活躍，浮游動植物死亡分解后會產(chǎn)生大量類色氨酸等類蛋白物質(zhì)，而北部湖區(qū)(如梅梁灣、竺山灣、貢湖灣)屬于典型的藻型湖區(qū)，該區(qū)域接納了常州市和無錫市大量的工業(yè)廢水和生活污水，人為影響較大，再加上太湖受到西北風向的影響，藻類等浮游生物易在北部湖區(qū)停留繁殖生長，最終造成類色氨酸物質(zhì)的增強，這與宋曉娜等的研究結(jié)果一致.其中，竺山灣1#水體不僅存在大量T1、T2類色氨酸熒光峰，還出現(xiàn)了代表類腐殖酸的F熒光峰和代表可見區(qū)類富里酸的C熒光峰，其相對類色氨酸來說，熒光強度略小，說明竺山灣還有部分外源輸入，有研究發(fā)現(xiàn)漕橋河和太滆運河是竺山灣的主要入湖河流，尤其是漕橋河位于常州市武進區(qū)與宜興市的交接處，工業(yè)排放密集，導致攜帶大量DOM的工業(yè)廢水和生活污水進入河道，再流入竺山灣，最后導致竺山灣的類腐殖酸物質(zhì)和類蛋白物質(zhì)均較高，使其DOM兼具了陸源與生物來源的雙重特性.

　　　　　　表3 太湖水體DOM熒光峰位置及強度

　　已有研究表明，在藻類爆發(fā)期間太湖水體主要以類色氨酸熒光物質(zhì)和類酪氨酸物質(zhì)等類蛋白物質(zhì)為主，但本研究中只出現(xiàn)了類色氨酸熒光物質(zhì)，這可能是因為5月下旬，太湖藻類處于生長初期，還未達到藻類爆發(fā)高峰時期，藻類死亡腐爛分解還在湖水自凈的承受范圍之內(nèi)，部分類酪氨酸物質(zhì)濃度低于熒光光譜檢測限導致未檢測出來.

　　3.3 太湖水體DOM污染來源分析

　　熒光指數(shù)(Fluorescence Index，f450/500)定義為激發(fā)波長為370 nm時，發(fā)射波長在450 nm與500 nm處的熒光強度比值.該指數(shù)通常用來研究和表征DOM中腐殖質(zhì)的來源.陸源和生物來源DOM的f450/500值分別為1.4和1.9(Jaffé et al.， 2004).由表 4可見，竺山灣f450/500為1.53±0.06，接近陸源f450/500值(1.4)，而梅梁灣f450/500最高(1.75±0.58)，其次是貢湖灣和南部沿岸，這表明梅梁灣受內(nèi)源污染較大，梅梁灣、貢湖灣等北部湖區(qū)和南部沿岸屬于典型的藻型湖泊，其藻類等微生物活躍，造成水體類蛋白物質(zhì)豐富，而竺山灣受到城市等工農(nóng)業(yè)及生活用水的排放，使得該湖區(qū)具有陸源與生物內(nèi)源雙重性質(zhì)，且接近陸源特征.其中，竺山灣1#點DOC濃度達到(7.13±2.45)mg · L-1，為全湖最高，這也說明其有機物濃度最高，污染最為嚴重;其次是東太湖，該區(qū)域是典型的草型湖泊，水生植物旺盛，其有機碳來源和含量較豐富，這與湖泊類型和水生植物有機碳輸入密切相關(guān).而UV254可表征溶液中芳香性和具有雙鍵結(jié)構(gòu)的物質(zhì)含量，疏水性的物質(zhì)易被吸附，而芳香性和具有雙鍵結(jié)構(gòu)的物質(zhì)是構(gòu)成疏水性物質(zhì)的主要組分.UV254作為有機物檢測的重要水質(zhì)指標，可替代COD和TOC評價溶液中有機物含量.如表 4所示，UV254從高到低為竺山灣>梅梁灣、貢湖灣>湖心區(qū)>南部沿岸>東部區(qū)>西南湖區(qū)>東太湖，竺山灣最高可能是由于外源輸入的腐殖質(zhì)一般為疏水性物質(zhì)，而東太湖最低與該湖區(qū)生態(tài)環(huán)境有關(guān)，水生植物茂密，腐爛分解后，易被水體中微生物分解利用的親水性物質(zhì)釋放到水體中，因此代表疏水性質(zhì)的UV254值較低.另外，熒光指數(shù)、UV254以及DOC濃度的分析結(jié)果與太湖各采樣點水體3DEEEM表征結(jié)果所反映出來的特征基本一致.

表4 太湖水體熒光指數(shù)、UV254和DOC濃度

　　3.4 太湖藻類、水生植物降解以及沉積物釋放對水體DOM熒光特征的影響

　　在培養(yǎng)前(0 d)，太湖采集的藻類樣品水溶解性有機質(zhì)出現(xiàn)了7類熒光峰，分別是代表類腐殖酸的F峰，類富里酸的C、A峰，類酪氨酸的T1、T2峰和類色氨酸的B1、B2峰，藻類死亡腐爛分解后產(chǎn)生的DOM中具有類色氨酸和類酪氨酸等類蛋白物質(zhì)，這與藻類等殘骸含有大量蛋白質(zhì)密切相關(guān).在經(jīng)過10 d的自然降解后，藻類DOM中類蛋白熒光物質(zhì)中的紫外區(qū)類色氨酸B2和類酪氨酸T2熒光峰消失，同時，其他熒光峰的熒光強度均有不同程度的降低.其中，紫外區(qū)與可見區(qū)的類富里酸降解率最大，分別降解了70.3%和41.0%.這說明在藻類自然死亡腐爛分解的過程中，自身的部分類蛋白物質(zhì)和部分類富里酸物質(zhì)在細菌等微生物的作用下逐漸降解，這部分營養(yǎng)物質(zhì)可能進一步釋放至水體或在表層沉積物中累積，并造成水體及湖泊生態(tài)環(huán)境的二次污染.水生植物DOM中出現(xiàn)的熒光峰較少，分別為代表類腐殖酸的F峰和陸源類腐殖質(zhì)的M峰，其中類腐殖酸出現(xiàn)了兩處熒光峰位置，分別為Ex/Em=450/530和410/480.這與Qu等研究報道的滇池水生植物中DOM熒光峰特征類似.在水生植物及其DOM自然降解后，F(xiàn)峰合成為一個熒光峰，熒光波長稍有偏移，出現(xiàn)在Ex/Em=410/470，而M峰消失.對水生植物的熒光強度變化進一步研究表明消失的M峰熒光強度恰好與F峰熒光強度的增加等量.這暗示了在水生植物來源的DOM自然降解過程中，陸源類腐殖質(zhì)M峰向著類腐殖酸F峰轉(zhuǎn)化，形成更穩(wěn)定的高分子聚合物，因此水生植物殘骸對水體二次污染的貢獻率低于藻類腐爛殘骸.當然，水生植物的腐爛分解過程也會向水體釋放DOM，且隨腐解時間的長短變化不同，生物量越大，其釋放的TN越多，對水質(zhì)的影響越大，隨著腐解時間越長，DOM結(jié)構(gòu)越復雜，腐殖化程度越高.

　　除了藻類和水生植物死亡腐爛分解產(chǎn)生的DOM會進入湖泊水體中，沉積物向上覆水體的釋放作用也不容小覷，在沉積物培養(yǎng)前(0 d)，沉積物來源的DOM出現(xiàn)了5類熒光峰，兼具外源污染的類富里酸熒光C峰和A峰，也同時含有生物來源的B1、B2、T2類蛋白熒光峰，這表明水體、藻類或水生植物殘體中的有機物通過沉降作用部分沉積在表層沉積物中，間接反映了沉積物中DOM的來源.培養(yǎng)10 d后，沉積物DOM中的類蛋白熒光T2峰全部消失，B1和B2熒光物質(zhì)的降解率分別高達86.5%和82.5%，而類富里酸熒光C峰和A峰略有上升，分別上升25.1%和1.5%,這是由于類蛋白熒光峰(包括T1、T2、B1和B2峰)由一些帶有熒光基團(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)的氨基蛋白酶和多肽等較為簡單分子結(jié)構(gòu)、分子縮合度較低的有機物質(zhì)組成，因此易于降解.而類富里酸熒光峰的略微上升，可能是少部分類蛋白物質(zhì)向著類富里酸物質(zhì)轉(zhuǎn)化.洱海沉積物DOM也有類似規(guī)律，其沉積物在培養(yǎng)17 d后，部分類蛋白熒光峰向類富里酸物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化.有部分類蛋白物質(zhì)向類富里酸物質(zhì)(C、A峰)轉(zhuǎn)化，大量類蛋白物質(zhì)(T2、B1、B2峰)降解并消失，這一部分類蛋白物質(zhì)在湖泊沉積物-水體界面中，很有可能在微生物作用下向上覆水體釋放，造成上覆水體類蛋白物質(zhì)增多，最終使得太湖各個湖區(qū)水體DOM主要以類蛋白物質(zhì)為主.

　　4 結(jié)論

　　1)太湖水體、藻類、水生植物和沉積物DOM出現(xiàn)8種熒光組分，主要為類腐殖質(zhì)、類富里酸和類蛋白物質(zhì)(包括類色氨酸和類酪氨酸)，其中太湖水體主要以類色氨酸物質(zhì)為主，且熒光強度南部沿岸>北部湖區(qū)(竺山灣、梅梁灣、貢湖灣)>其他湖區(qū)，這與太湖南部沿岸和北部湖區(qū)大量工業(yè)廢水和城市生活污水密集排放有關(guān)，其中竺山灣DOM兼具陸源與生物來源(藻類死亡腐爛分解)的雙重特性.

　　2)太湖藻類DOM組成豐富，自然降解過程中，大量類蛋白物質(zhì)和部分易降解的類富里酸物質(zhì)向水體中釋放，易造成水體及湖泊生態(tài)系統(tǒng)的污染，為藻類循環(huán)往復爆發(fā)提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，而水生植物腐爛分解后DOM釋放量相對藻類較小，其逐漸轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的類腐殖質(zhì).具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3)除了藻類和水生植物腐解后對水體內(nèi)源污染有貢獻以外，沉積物釋放也會影響水體DOM組成結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，隨著沉積物降解時間的增長，大量類蛋白物質(zhì)向上覆水體中釋放，部分類蛋白物質(zhì)向類富里酸物質(zhì)轉(zhuǎn)化.因此，太湖水體-藻類-水生植物-沉積物在微生物以及各種酶的作用下各內(nèi)源組分相互遷移轉(zhuǎn)化，共同構(gòu)成了復雜且有機的湖泊生態(tài)系統(tǒng).