南明河沉積物孔隙水中溶解有機質的光譜特性

謝偉芳，阮小燕，胡繼偉

（1.江蘇城市職業學院 城市科學系，江蘇 南京 210017；2.南京信息工程大學 環境科學與工程學院，江蘇 南京 210044；3.貴州師范大學省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001）

1 引言

天然溶解有機質（Dissolved Organic Matter，DOM）是指能通過 0.45μm 微孔的有機物質［1，2］，主要是由動植物自身產生的有機物和由土壤中的有機物經過淋濾遷移到水中的有機物組成［3］。由于近年來人類生產、生活對河流造成了很大的化學干擾，河流的沉積物，尤其是表層沉積物，有機質含量大大增加。在河流上覆水與沉積物的相互作用過程中，沉積物中相當部分的污染物會重新釋放到水中，成為河流中潛在的“化學定時炸彈”。在某些情況下，由于河流系統的物理化學條件發生突變，可能造成河流沉積物中累積的污染物大量釋放回水體，造成污染事故，而污染物釋放回水體是通過水－沉積物的交換反應在液相與固相間遷移，所以對沉積物中孔隙水的研究是掌握溶解有機質情況的良好方式。大量研究表明DOM在水體生態環境中起著重要的作用，它可以和金屬離子相結合而減小它們的生物有效性和對水生生物體的毒性；同時DOM還可以與有機和無機污染物結合，增大它們在水中的溶解性和遷移轉化能力［4］。

紫外－可見吸收光譜是最早應用于表征腐殖質光譜特性的分析方法之一，由于DOM中含有各種親水性有機酸、氨基酸、碳水化合物以及腐殖酸和富里酸等，通常其吸光度值隨著波長減小而增大，且沒有特征峰值。同時研究認為［2］E3／E4（a300／a400）是衡量腐殖質的腐殖化程度、芳香性以及分子量等有關的參數，且認為隨著E3／E4的減小，腐殖質的腐殖化程度、芳香性及分子量相對增大。

熒光光譜特征也是表征天然水體中DOM以及評估其來源的重要參數［5］。三維熒光光譜可以檢測到DOM中不同類型的熒光峰，如類富里酸、腐殖酸的熒光等［6］。熒光光譜技術研究腐殖質是基于其結構中含有大量帶有各種官能團的芳香環結構以及未飽和脂肪鏈。并且由于熒光光譜技術具有靈敏度高，選擇性好，且不破壞樣品結構、需樣品量少和方法簡單等優點，因此，適合用來研究腐殖質的化學和物理性質。腐殖質內含有幾種不同的熒光基團，其熒光特性包含了與結構、官能團、構型、非均質性、分子內與分子間的動力學特征等有關的信息，能夠獲得激發波長和發射波長同時變化時的熒光強度信息［7］，以期揭示不同類型熒光DOM的來源、化學結構特征及其在環境中的各種地球化學行為。

南明河為長江流域烏江水系清水河的源頭河流，貫穿貴陽市城區，是發源于貴州省平壩縣林卡鄉的百泥田，自貴陽市花溪區中曹鄉大陡坡進入城區西南段，東北向流經南明、云巖兩城區，于云巖區黔靈鄉大涼口附近進入烏當區姜渡寨出境，主體自西向東至開陽、龍里、福泉三縣交界的兩岔河與獨木河相接注入清水河，全長118km，城區段（花溪大橋－水口寺）24.7km，多年平均流量29.4m3／s。南明河水口寺以上河段主要支流有：車田河、小車河、市西河、貫城河。河流上游已建成松柏山、花溪、阿哈、小關、黔靈湖等5座水庫，這5座水庫為貴陽市的防洪、灌溉、城市供水提供了有利條件［8］。

但是近年來，由于城市的發展、人口的增加以及受城市生活污水和工業廢水等污染，致使水體污染加劇，降低了河流的自凈能力，對生態系統及人類的生存環境產生嚴重的影響。南明河作為貴陽市的主要排污河流，從上游至下游總的污染趨勢為：無污染－污染－輕度污染。從20世紀70年代開始，南明河逐漸變黑發臭。到90年代，南明河污染狀況已經觸目驚心：沿河兩岸近百個生活污水和200多家工業企業排污口，每天向河中傾瀉45萬t生活污水和工業廢水；沿岸到處是煤灰垃圾，破爛的棚戶區遍布河道兩岸；河水水質嚴重惡化，魚蝦絕跡，進入市區的河段為劣五類水體。

本文選擇南明河為研究對象，運用紫外－可見吸收光譜和熒光光譜技術，研究和描述南明河沉積物孔隙水中溶解有機質的光譜特征，揭示不同類型熒光DOM的主要的化學組成、來源和污染源種類。

2 實驗部分

2.1 樣品采集與處理

根據南明河各主要支流位置、水體流向和結合當地污染源的分布情況，于2008年7月，在貴陽近郊的南明河共采集了10個點 （圖1）。樣品采用抓斗進行采集，在野外采集后，迅速裝入棕色帶塞磨口瓶中帶回實驗室，在室內使用離心機對樣品進行分離，取上層水，水樣采集后馬上用0.45μm醋酸纖維濾膜進行過濾，并儲存在5℃的冰箱內供分析備用。

圖1 南明河采樣點分布

2.2 儀器與試劑

Cary Eclipse熒光分光光度計（美國，瓦里安公司）；Cary100紫外－可見分光光度計（美國，瓦里安公司）；精密級數字式酸度計PHS－3C（上海虹益儀器儀表有限公司）；EHSY抽濾瓶，SHE－III型循環水真空泵；HS7240B超聲波清洗器（天津市恒奧科技發展有限公司，功率：240W，頻率：40kHz）；Human Nex Power 2000水純化系統；ETM－2020采水器（DI：15cm，H：40cm）

2.3 光譜表征

2.3.1 紫外－可見光譜

室溫下將水樣置于1cm光程的石英樣品池中，用紫外－可見分光光度計進行樣品吸光度測定，設置波長分別 為 a300nm／a400nm （E3／E4）；254nm（a254）和280nm（a280），用超純水作空白，對其進行吸光值測定。

2.3.2 熒光光譜

熒光光譜測定在Cary Eclipse型熒光光譜分析儀上完成，具體參數如下。

在做小河平橋的3D圖中其參數如下：閃爍式氙燈；PMT電壓600V；激發波長200～500nm；發射波長200～600nm；激發遞增10nm；激發狹縫為5nm，發射狹縫為5nm；掃描速度：600nm／min；平均時間0.1000s；數據間隔1.0000nm。

對于傳統的熒光發射光譜（南明河沉積物孔隙水發射光譜疊加圖），其具體參數如下：閃爍式氙燈；PMT電壓600V；Ex＝240nm，Em＝250～600nm；激發狹縫為5nm，發射狹縫為10nm；掃描速度：600nm／min；平均時間0.1000s；數據間隔1.0000nm；選項：重疊圖譜。

對于熒光指數f450／f500（fluorescence index），其參數如下：閃爍式氙燈；PMT電壓600V；Ex＝370nm，Em＝450～500nm；激發狹縫為5nm，發射狹縫為5nm；掃描速 度：600nm／min；平 均 時 間 0.1000s；數 據 間 隔1.0000nm。

室溫下，將水樣置于1cm石英熒光樣品池中測定，測定前保持溫度恒定，空白為超純水。

3 結果與討論

3.1 紫外－可見吸收光譜

據E3／E4（a300／a400）是衡量腐殖質的腐殖化程度、芳香性以及分子量等有關的參數［2］。應用紫外－可見分光光度計對10個樣品進行檢測，其結果見表1。

表1 南明河沉積物孔隙水中DOM E3、E4和E3／E4（a300／a400）的值

由圖2可知：南明河孔隙水DOM的E3／E4值范圍在2～7之間，絕大多數在3～5之間（圖2），而一般腐殖酸的E3／E4值小于3.5，富里酸的E3／E4值大于3.5［4］，因此可以推斷：孔隙水 DOM 腐殖化程度比較不高、芳香性較小，而分子量分布應該以小分子量的富里酸為主，大分子量的腐殖酸含量相對較少。

從圖2可知南明河沉積物孔隙水DOM的E3／E4值最大的是2（上水村），表明上水村的腐殖質的腐殖化程度較小，相反1（花溪橋）和10（東鳳鎮）兩地的腐殖質的腐殖化程度較大，很可能是因為這兩個地方是居民聚集地，受到生活污水的污染。根據上面采樣點分布圖，可知南明河近期受到的污染屬于點污染。

圖2 南明河沉積物孔隙水DOM的E3／E4值

傅平青等［9］用實驗證明了DOM中的主要組分如腐殖酸、富里酸以及一些芳香性氨基酸等所帶的苯基、苯羧基、苯羥基等基團在254nm （a254）和280nm（a280）波長具有強的吸收，其吸光度值分布特征與DOC的分布特征類似。據此也對南明河不同采樣點沉積物孔隙水DOM在254nrn和280nm處吸光度值的分布特征進行了研究（圖3），可以推斷出DOC濃度從大到小依次是9＞7＞10＞2＞4＞3＞8＞1＞5＞6，從圖3可以明顯發現7和9這兩個采樣點的DOC濃度比前面的幾個點明顯偏高，主要是因為這兩個地方是南明區人口相對比較集中的地方，生活污水和工業廢水大量排入。而6號點的DOC濃度相對偏低，可能是因為它的上游是阿哈水庫（貴陽市的主要飲用水源地之一），受污染較小且水庫的水對污染起稀釋作用，從而進一步表明南明河主要受到點污染而非面污染。

圖3 南明河沉積物孔隙水中DOM在254nm和280nm處吸光度值的分布特征

3.2 熒光光譜

3.2.1 熒光指數的測定

研究表明［10，11］熒光指數（fluoresce index，f450／500）可以用來研究和表征DOM中腐殖質的來源，即f450／f500為激發波長Ex＝370nm時，熒光發射光譜在450nm與500nm處的強度比值。McKnight等［10］提出，陸源DOM的熒光指數為1.4和生物來源DOM的熒光指數為1.9。

本文中南明河沉積物孔隙水DOM的f450／f500值更接近于1.5，說明其DOM中的腐殖質主要來源于陸源輸入。南明河沉積物孔隙水DOM的f450／f500值的變化趨勢見圖4。從圖4可以看出，南明河沉積物孔隙水DOM的熒光指數處于1.401～1.676之間，從整體上看其中沉積物1、8號樣品沉積物孔隙水中DOM的f450／f500值較大，分別為1.623、1.676；較潔凈的2號點的f450／f500值為1.401。總體而言，南明河沉積物孔隙水 DOM 的f450／f500值更接近于1.5，說明其DOM中的腐殖質主要是陸源輸入，即南明河主要受到工業污水和生活污水的污染。

3.2.2 小河平橋三維熒光譜圖的掃描

圖4 南明河沉積物孔隙水中DOM熒光指數變化情況

取南明河中的小河平橋這點進行分析，Ex＝200～500／Em＝200～600，Ex slit＝5；Em slit＝5，發現其圖譜中出現4個明顯的熒光峰（圖5），參考前人的研究結果［12～15］，圖6給出了水環境中所有可能出現的可溶性有機污染物熒光峰的大概位置，圖中Class I是類腐殖酸熒光（humic－like）；ClassⅡ和Class 1V是類富里酸熒光（visiblefulvic－like and UV fulvic－like）；ClassⅢ是類蛋白熒光（protein－like）。

對天然環境中各種溶解有機質的Ex／Em熒光峰位置進行了總結，對于熒光峰D，由于技術上的原因，過去研究的DOM的3DEEM都從EX＝250nm開始掃描，所以一直沒有發現它的存在，直到今年才有Burdige等［16］指出，因此熒光峰D也應該和類蛋白物質有關；綜上我們認為峰A和C為可見類富里酸和紫外類富里酸熒光，峰B和D為類蛋白熒光。

從圖5中可發現：熒光峰B、D的熒光強度明顯強于熒光峰A、C，也就是說該水體中類蛋白的含量明顯高于類富里酸。結合所采集水樣地形，可知道該水源附近基本沒有什么工業，主要是居民區，因此推斷該水體中的類蛋白物質主要來源于生活污水。而圖4中的采樣點4（小河平橋）的熒光指數為1.489，可知其DOM中的腐殖質主要來源于陸源輸入，這與我們所推斷的結果一致。再者采樣點4（小河平橋）的E3／E4值為4.722，說明小河平橋沉積物孔隙水中DOM 腐殖化程度比較不高、芳香性較小，而分子量分布應該以小分子量的富里酸為主，這與圖7中所推斷的類富里酸熒光峰A和C的結論相一致。

圖5 小河平橋沉積物孔隙水中DOM的三維熒光譜圖

3.2.3 南明河沉積物孔隙水中DOM發射圖譜疊加圖

圖6 水環境中溶解有機質三維熒光峰λex／λem常見位置

現設定：EX＝240／EM＝250～600，EX slit＝5；Em slit＝10，（圖7）為南明河沉積物孔隙水的疊加圖，我們發現該圖在A、B、D三個部分其圖形基本相同，說明該樣品的所含的溶解有機質成分大致相同，且濃度也相近；其中E為倍頻峰不予考慮；主要差異是C部分－小分子量的紫外類富里酸，各個樣品中該成分濃度差別比較大，其中濃度較大的是3、7、8、9、10，濃度相對較小的有1、5、6。

圖7 南明河沉積物孔隙水中DOM發射光譜圖的疊加圖

4 結語

（1）通過對南明河沉積物間隙水中的DOM的研究發現：其熒光指數（f450／f500值）介于1.401～1.676，接近1.5，表明陸源輸入是DOM中的腐殖質的主要來源；同時研究還發現E3／E4值最大的是位于上游的2號點。根據河流地理位置可大致推斷出，近期陸源性的點源污染是影響南明河的主要因素。對不同采樣點沉積物孔隙水DOM在254nrn和280nm處吸光度值的分布特征進行了研究，推斷溶解有機碳濃度依次是水口寺＞湘雅橋＞東風鎮＞上水村＞小河平橋＞三江口＞市西河＞花溪橋＞小黃河＞小車河，5和6號點的DOC濃度較小，是因為剛從水源地流出受污染較小，而7、9號點的DOC濃度較大，主要是因為當地為人口密集的居民生活區，更有力證明了南明河主要受到點源污染。

（2）紫外－可見光譜中E3／E4值介于2～7，主要介于3～5，可見樣品具有較高的腐殖化程度和芳香性，從分子量分布角度來看，主要以大分子量的腐殖酸為主，而小分子量的富里酸含量相對較少。

（3）本文選用小河平橋，運用三維熒光光譜法對沉積物間隙水中的DOM進行研究，發現圖譜中含有4個熒光峰，峰A為紫外類富里酸，峰C為可見類富里酸，峰B和D為類蛋白質。

（4）通過對南明河沉積物孔隙水中DOM發射圖譜疊加圖的研究，我們發現：疊加圖譜表現出較強的相似性，說明整個南明河流域DOM的組成成分相似且濃度也相近，但在C點－紫外類富里酸的濃度差異較大，濃度較大的是3、7、8、9、10，濃度相對較小的有1、5、6，這與應用紫外－可見吸收光譜所推斷出溶解有機碳（DOC）濃度（9＞7＞10＞2＞4＞3＞8＞1＞5＞6）的結果大致相符。

［1］謝偉芳，吳 坤，胡繼偉，等.阿哈湖沉積物孔隙水中溶解有機質的光譜特性［J］.湖北農業科學，2011，50（4）：833～836.

［2］彭全材，胡繼偉，蔣翠紅，等.百花湖沉積物孔隙水中溶解有機質的光譜特性［J］.江西師范大學學報：自然科學版，2009，33（3）：261～266.

［3］岳蘭秀，劉叢強，吳豐昌.水環境中天然溶解有機質分子量的研究現狀及意義［J］.環境科學與管理，2010，35（4）：29～34.

［4］Wu F，Tanoue E.Molecular mass distribution and fluorescence characteristics of dissolved organic ligands for copper（II）in lake Biwa，Japan［J］.Organic Geochemistry，2001，32：11～20.

［5］Kilduff J E，Karanfil T，Chin Y－P，et al.Adsorption of natural organic polyelectrol－ytes by activated carbon：A size－exclusion chromatography study［J］.Environmental Science ＆Technology，1996，30（4）：1336～1343.

［6］田林鋒，胡繼偉，李存雄，等.通過DOM的光譜特性對長江源頭典型高原深水湖泊進行評價［J］.中國工程科學，2010（6）：80～84，112.

［7］Yamashita Y，Tanoue E.Chemical characterization of proteinlike fluorescences in DOM in relation to aromatic amino acids［J］.Marine Chemistry，2003，82：255～271.

［8］石德坤.修復技術在南明河污染治理中的應用［J］.水土保持通報，2008，28（4）：138～139，151.

［9］傅平青，劉叢強，尹祚瑩，等.腐殖酸三維熒光光譜特性研究［J］.地球化學，2004，33（3）：301～308.

［10］Jaffe R，Boyer J N，Lu X，et al.Source charaterization of dissolved organic matter in a subtropical mangrove－dominated estuary by fluorescence analysis［J］.Marine Chemistry，2004，84：195～210.

［11］McKnight D M，Boyer E W，Westerhoff P K，et al.Spectrofluorometric Characterization of dissolved organic matter for indication of Precursor organic material and aromaticity［J］.Limnology and Oceanography，2001，46（1）：38～48.

［12］Wu F C，Midorikawa T，Tanoue E.Fluorescence properties of organic ligands for coper（II）in Lake Biwa and its rivers［J］.Geochemical Journal，2001，35：333～346.

［13］Wu F C，Tanoue E.Isolation and partial characterization of dissolved copper complexing ligands in stream waters［J］.Environmental Science ＆ Technology，2001，35：3646～3652.

［14］Wu F C，Tanoue E.Molecular mass distribution and fluorescence characteristics of dissolved organic ligands for copper（II）in lake Biwa，Japan［J］.Organic Geochemistry，2001，32：11～20.

［15］Mopper K，Schultz C.A.Fluorescence as a possible tool for studying the nature and water column distribution of DOC components［J］.Marine Chemistry，1993，41：229～238.

［16］Burdige D J，Kline S A，and Chen W.The cycling of fluorescent dissolved organic matter in contrasting marine sediments［J］.Marine Chemistry.2004，89：289～311.