烏梁素海沉積物溶解性有機質熒光光譜特性

馮偉瑩,焦立新,張 生,王利明,付緒金,李暢游,崔鳳麗

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國環(huán)境科學研究院,環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；3.中國環(huán)境科學研究院,國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室,湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地,北京 100012)

溶解性有機質(DOM)是湖泊沉積物中最活躍的有機質組分,在湖泊生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)和物質交換過程中具有非常重要的作用[1-2].它主要包括親水性有機酸、類蛋白、類氨基酸、類腐殖酸(胡敏酸和富里酸)和碳水化合物等.其中,類腐殖酸物質較難降解,有機碳含量為DOM中總有機碳含量的40%～80%,類氨基酸物質容易降解以及被微生物利用,僅占DOM的1%～3%[3-4].以往研究通常用COD等有機污染物指標代表DOM的總含量,很難反映DOM的具體組成結構,無法針對性的指導湖泊富營養(yǎng)化控制管理以及生態(tài)環(huán)境效應的具體評估[5].近些年來,采用靈敏度高、用量少、重復性高、不破壞樣品結構的三維熒光分析手段定性區(qū)分以及定量測定湖泊上覆水體以及沉積物中的DOM含量及組成結構,并有大量學者將此技術用于海洋[6]、湖泊[7-9]、河流[10-11]等水體DOM的組成結構及污染物遷移轉化規(guī)律研究.烏梁素海為蒙新高原湖區(qū)富營養(yǎng)化淺水草型湖泊,作為內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的排泄區(qū),我國重要的生物多樣性功能區(qū),區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)的緩沖區(qū),黃河流域重要的調節(jié)庫以及區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的重要載體,改善其湖泊生態(tài)環(huán)境以及了解其沉積物中復雜混合物質DOM的結構組成變化及其三維熒光光譜特性已十分重要,其主要成分(類腐殖質和類蛋白熒光物質)的熒光特性及其變化規(guī)律對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構與功能等都有重要影響,因此,本文利用三維熒光光譜技術(3DEEM)研究烏梁素海沉積物DOM的組成結構及其熒光特性,旨在為烏梁素海湖泊富營養(yǎng)化控制管理及其生態(tài)環(huán)境效應提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古烏梁素海是我國第8大淡水湖,是內(nèi)蒙古干旱區(qū)最為典型的淺水草型湖泊,是黃河中上游重要的保水、蓄水和調水場地[12].烏梁素海(40°36′N～41°03′N,108°43′E～108°57′E)屬于蒙新高原湖區(qū),位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi),現(xiàn)有水域面積285.38km2,其中蘆葦區(qū)面積為118.97km2,明水區(qū)面積為111.13km2,明水區(qū)中85.7km2為沉水植物密集區(qū),其余為沼澤區(qū).烏梁素海是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)灌排水系的重要組成部分,處于黃河河套平原末端,屬黃河內(nèi)蒙段最大的湖泊,其補給來源90%經(jīng)總排干溝匯入烏梁素海后,由西山咀河口排入黃河,是當?shù)剞r(nóng)田退水、工業(yè)廢水和生活污水的唯一承泄渠道,每年匯入烏梁素海的各種營養(yǎng)鹽加速了烏梁素海的沼澤化[13-14],使烏梁素海成為我國中型湖泊富營養(yǎng)化水平較為嚴重的湖泊之一[15].

1.2 樣品采集與DOM提取

按照我國水環(huán)境及濕地生態(tài)系統(tǒng)調查規(guī)范[16],根據(jù)烏梁素海污染源的分布和水動力特征[17],將烏梁素海在空間上以2km×2km的正方形網(wǎng)格剖分,利用網(wǎng)格的交點,以梅花形布置水樣監(jiān)測點,利用GPS定位,由于本次采樣時間處于冬季冰封期(2012年2月14日),湖區(qū)南部冰凍層較薄,無法進行采樣,所以本次實驗取10個采樣點[18]進行分析研究(圖 1),分別為 I12、J13、K12、L11、M12、M14、P9、P11、Q8、Q10.

分別稱取3g過100目篩的沉積物樣品,V(水 )：m(土 )為 10：1,恒 溫 振 蕩 16 h(20 ℃ ,220r/min),4℃離心20min(12000r/min),上清液過玻璃纖維濾膜(GF/F,Whatman,450℃,灼燒4h),所得濾液(即DOM)4℃保存?zhèn)溆?實驗所用的水均為Milli-Q超純水(Millipore,18.2 M?·cm).

圖1 烏梁素海采樣分布Fig.1 Locations of sampling sites in Wuliangsuhai Lake

1.3 分析方法

3DEEM測定是在帶有1cm石英熒光樣品池的高靈敏度的HITACHI F-7000熒光分光光度計上進行.激發(fā)光源：150W氙弧燈;PMT電壓：700V;信 噪 比 ＞110;響 應 時 間 ：自 動 ;帶 通(Bandpass)：激發(fā)波長λEx=5nm,發(fā)射波長λEm=5nm;掃描速度：12000nm/min;掃描光譜進行儀器自動校正;掃描波長范圍：λEx=200～450nm;λEm=250～600nm;測定前,保持溫度恒定(恒溫水浴20℃±1℃);以Milli-Q超純水做空白;實驗過程中每隔一定時間,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,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的儀器誤差.

在實驗過程中,所有用到的玻璃器皿均在10%鹽酸中浸泡12h,先用自來水清洗3遍,再用Milli-Q超純水(Millipore,18.2 M?·cm)清洗3遍,在100℃烘干2h.

2 結果與討論

2.1 烏梁素海沉積物DOM的熒光指數(shù)

圖2 烏梁素海沉積物DOM的熒光指數(shù)Fig.2 Fluorescence index of dissolved organic matter in sediment in Wuliangsuhai Lake

熒光指數(shù)[19-20](FI)是指當激發(fā)波長為370nm時,發(fā)射波長在450nm與500nm處熒光強度的比值.熒光指數(shù)通常用來研究和表征DOM中腐殖質的來源.研究表明,生物來源DOM的熒光指數(shù)(1.9)明顯高于陸源DOM的熒光指數(shù)(1.4)[21].由圖2可見,烏梁素海沉積物DOM的熒光指數(shù)處于1.74～1.96之間,其中采樣點P11處的熒光指數(shù)最大,為1.96.總體而言,烏梁素海沉積物DOM的熒光指數(shù)值更接近于1.9,說明其DOM中的腐殖質主要為生物來源.根據(jù)2005年TM衛(wèi)星遙感圖像顯示[22],蘆葦區(qū)面積幾乎達到全湖面積的42%,沉水植物密集區(qū)約占明水區(qū)總面積的72%,如此眾多的生物量是使得烏梁素海沉積物DOM熒光指數(shù)接近生物來源(1.9)的重要原因.

2.2 烏梁素海沉積物DOM出現(xiàn)的熒光峰

本次實驗出現(xiàn)的6種類型的熒光峰(表1).其中T1、T2、B1、B2峰分別表示生物降解來源的色氨酸(TRY)和酪氨酸(TYR),主要來源于水中的微生物和浮游植物等殘體分解及微生物分泌的胞外酶,這些類蛋白熒光物質與微生物降解產(chǎn)生的芳香性蛋白類結構有關,在水體中易降解;C、A峰表示可見光區(qū)與紫外光區(qū)類富里酸(FUL),主要來源于腐殖質中的富里酸物質,其強弱和峰位置與腐殖質的腐殖化程度有關[23];類蛋白熒光主要來源于微生物的生命活動,包括外源輸入中生活污水和工業(yè)廢水等攜帶的微生物以及水體中自身的微生物[11].因此,通過各種熒光峰的位置及強度可區(qū)分有機污染物的來源.在不同水樣中上述4種熒光峰的熒光位置可能會發(fā)生“紅移”或“藍移”現(xiàn)象,當DOM濃度較高時發(fā)生“紅移”,反之則發(fā)生“藍移”.“紅移”與熒光基團中生物利用率較高的羰基、羧基、羥基和胺基的增加有關.

表1 溶解有機物的主要熒光峰[24-25]Table 1 Major fluorescence peaks of dissolved organic matter

2.3 烏梁素海沉積物DOM的熒光光譜位置

由圖3可知,烏梁素海沉積物采樣點均不同程度的出現(xiàn)了代表類富里酸熒光物質的C、A峰和代表類蛋白熒光物質的T1、T2、B1、B2峰,類富里酸熒光峰的大量出現(xiàn),說明烏梁素海受到較大的外源污染影響,結合以往研究[19]發(fā)現(xiàn),烏梁素海補給水源主要來自于河套灌區(qū)農(nóng)田退水,年輸入量為 4×108～6×108m3,其次是工業(yè)廢水和生活污水,其中農(nóng)田退水占三者總水量的96%,后兩者各占2%.

圖3 烏梁素海沉積物DOM三維熒光圖譜Fig.3 Three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectra of dissolved organic matter in sediment in Wuliangsuhai Lake

史小紅等[22]研究發(fā)現(xiàn),2005年烏梁素海水體中有機質含量遠遠超出了V類水質標準要求(15mg/L),實測COD變化范圍為75.0～120.0mg/L.也有研究[26]表明,河套灌區(qū)農(nóng)田化肥用量已由1978年的7×104t迅速上升到1997年的43.8×104t,到2002年已經(jīng)超過52×104t,但化肥利用率僅為30%.大量的農(nóng)田退水沿著總排、八排、九排等進入烏梁素海,造成烏梁素海排水口附近水域大面積污染.除去水體自凈能力外的大量DOM等有機污染物被沉積至底泥中,造成沉積物DOM大量增加,結合本實驗沉積物DOM中,出現(xiàn)了大量代表外來污染物的類富里酸熒光物質以及不同程度的類蛋白物質,然而,類蛋白物質不穩(wěn)定,極易被水體植物、浮游動物以及微生物等利用,類蛋白物質迅速降解后的產(chǎn)物供烏梁素海水體中的大型挺水植物吸收利用,使得蘆葦?shù)韧λ参镅杆侬傞L,造成蘆葦?shù)戎参锏倪^度生長,最終導致明水面積的大量縮減,沼澤化速率加快.1987年與1996年TM衛(wèi)星遙感影像圖對比發(fā)現(xiàn),近10年間烏梁素海蘆葦面積擴大了18.09km2,沼澤區(qū)面積擴大了6km2,沉水植物面積擴大了9km2,大型挺水植物已占全湖面積的72.69%,烏梁素海的面積已由20世紀50年代的660km2縮減為273km2.因此,控制農(nóng)田退水等的外源污染對治理烏梁素海富營養(yǎng)化具有重要意義.

2.4 烏梁素海沉積物DOM的熒光強度

由表2可知,烏梁素海沉積物DOM中除了含有較大強度的類色氨酸、酪氨酸等芳香環(huán)結構的類蛋白物質,還有較強熒光強度的類富里酸物質,其與腐殖質結構中的羰基和羧基有關,且同一湖區(qū)不同區(qū)域的各類熒光峰強度及中心位置也存在一定的差異.這與劉明亮等[26]對太湖DOM三維熒光光譜分析得到的熒光峰一致.這說明沉積物DOM中難以被微生物利用難降解的有機物常年積累,當湖水有較大生物擾動或物理波動時,沉積物中這些難降解的DOM就會向上覆水體中釋放,造成水體二次污染,同時,又為烏梁素海大量蘆葦?shù)韧λ参锾峁I養(yǎng)物質,促進其大量生長,形成惡性循環(huán).研究表明[27],熒光強度反應的是DOM濃度,故熒光強度的變化也能折射出水體受污染的程度,而熒光峰強度的區(qū)域分布差異可能與不同湖區(qū)DOM來源不同而有所差異.通常來說,湖泊水體DOM的來源分為內(nèi)源與外源,內(nèi)源與生物活動有密切聯(lián)系,主要是水體浮游動物或浮游植物有機體的光降解作用、細菌降解以及浮游動植物及微生物滲漏等原因造成[28];而外源主要為農(nóng)業(yè)退水、工業(yè)廢水及生活污水的大量排放,造成外源有機質的匯入而形成.除此以外,近2年研究[3]發(fā)現(xiàn),雨水也會稱為湖泊水體DOM的外界來源.一般來說,天然水體DOM中的類蛋白物質主要由微生物的降解產(chǎn)生,當水體受到嚴重污染時,其類蛋白物質就會相應增多,而水體中的類富里酸物質等主要來源于外源輸入.

結合表1與表2可知,烏梁素海沉積物DOM中出現(xiàn)了6種熒光峰,除M12點外,熒光強度A峰＞C峰,這說明烏梁素海沉積物DOM主要以紫外光區(qū)的類富里酸物質為主,故控制農(nóng)田廢水的排入就是要控制沉積物DOM紫外光區(qū)類富里酸熒光物質的形成;熒光強度B1＞B2峰;除J13點外,熒光強度T1峰＞T2峰,表明烏梁素海沉積物DOM類蛋白熒光物質主要以可見光區(qū)的類色氨酸和類酪氨酸為主,因此,控制蘆葦?shù)却笮屯λ参锏纳L就是控制沉積物DOM可見光區(qū)類色氨酸與類酪氨酸的形成.再結合烏梁素海背景及圖3中不同湖區(qū)熒光指數(shù)的變化,表現(xiàn)了烏梁素海沉積物DOM來源的區(qū)域差異性.例如,P11點紫外區(qū)和可見區(qū)類酪氨酸熒光、可見區(qū)類色氨酸均出現(xiàn),類富里酸熒光峰僅在紫外區(qū)出現(xiàn),結合此點熒光指數(shù)最高,為1.96,表明P11點主要為生物來源,從圖2中采樣分布也可以看到,P11點處于蘆葦區(qū),因此該點沉積物DOM來源主要為蘆葦?shù)韧λ参锔癄€分解作用,所受外源污染作用不明顯.這與烏梁素海屬于典型的草型湖泊,蘆葦?shù)却笮屯λ参锷L旺盛,其死亡腐爛分解后會產(chǎn)生大量的類蛋白物質有關,即為DOM的主要內(nèi)源;而該點在紫外區(qū)也出現(xiàn)了較強的類富里酸熒光峰,表明烏梁素海河套灌區(qū)排入的農(nóng)田退水等經(jīng)過湖水自凈能力后,污染程度有所降低,使得部分可見光區(qū)的類富里酸物質在湖水運移過程中被浮游動植物或水體微生物分解利用.因此,烏梁素海沉積物DOM的來源具有陸源及內(nèi)源的雙重特性,但這兩種來源在不同湖區(qū)對DOM的貢獻程度尚有差別,這也是烏梁素海沉積物DOM表現(xiàn)出差異的一個重要原因.

表2 烏梁素海沉積物DOM的熒光強度Table 2 Intensity of all types of fluorescence peaks of dissolved organic matter in the sediments of Wuliangsuhai Lake

3 結論

3.1 烏梁素海沉積物DOM主要出現(xiàn)6類熒光峰,分別為代表類富里酸熒光物質與類蛋白熒光物質,其中熒光強度A峰＞C峰,B1峰＞B2峰,T1峰＞T2峰,說明烏梁素海沉積物DOM主要以紫外光區(qū)類富里酸物質和可見光區(qū)類色氨酸、類酪氨酸為主.

3.2 烏梁素海沉積物DOM熒光指數(shù)處于1.74～1.96之間,具有陸源和內(nèi)源雙重特性,其中陸源來自西部河套灌區(qū)農(nóng)田退水的大量輸入,內(nèi)源來自蘆葦?shù)却笮屯λ参锼劳龈癄€分解.

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