基于三維熒光光譜結(jié)合平行因子法的蘑菇湖上覆水溶解性有機質(zhì)特征分析

張廣彩，于會彬，徐澤華，宋永會，韓 美① （.山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 5004；.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 000）

溶解性有機質(zhì)（dissolved organic matter，DOM）指能通過0.45 μm孔徑濾膜的由羥基（—OH）、醛基（—CHO）、羧基（—COOH）、氨基（—NH2）和羰基（—C=O—）等多種官能團組成的異質(zhì)混合物［1］。DOM體積小，但具有高度流動性、不穩(wěn)定性和活性，廣泛存在于自然和工程水體中［2-3］。在自然水體中，DOM主要來源于陸域或水域的動植物殘體、植物根系分泌物和藻類等［4］，經(jīng)微生物分解產(chǎn)生有機分子混合物，相對分子質(zhì)量為幾百到幾萬道爾頓之間［5］。DOM在水生物化學(xué)過程中起到至關(guān)重要的作用，是重金屬、營養(yǎng)鹽和多環(huán)芳烴等物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程中的重要載體［4-5］，也是水生態(tài)系統(tǒng)中異養(yǎng)型微生物的重要碳源［6］。

目前，國內(nèi)外對于DOM的研究主要集中于其來源、分布、組成結(jié)構(gòu)特征、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和生物毒性等方面［7-8］。研究所采用技術(shù)主要為紫外-可見光譜（UV-vis）、三維熒光光譜（3DEEM）、傅里葉紅外變換光譜（FTIR）和體積排阻色譜（SEC）等技術(shù)的單獨或集成應(yīng)用，并借助多元統(tǒng)計方法對DOM進行定量或定性表征［9-11］。光譜技術(shù)具有分析便捷迅速、樣品前處理簡單、成本低廉等優(yōu)點［12］，是研究DOM元素、官能團、化學(xué)鍵和分子空間構(gòu)型的主要表征技術(shù)［13］。李帥東等［7］采用UV-Vis和3DEEM技術(shù)對環(huán)滇池地區(qū)土壤中DOM結(jié)構(gòu)特征及來源進行研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)滇池地區(qū)土壤以外源性、自生源特征不明顯的類富里酸物質(zhì)為主。

DOM由于其自身復(fù)雜性和多樣性，在光譜掃描中容易發(fā)生熒光重疊和干擾［14］，弱小熒光峰難以被識別。近年來，平行因子法（parallel factor，PARAFAC）被廣泛應(yīng)用于DOM熒光特性分析，該方法不僅能識別與分離3DEEM中受到干擾及重疊的熒光峰，還能半定量表征DOM各熒光組分特征［15］。采用3DEEM技術(shù)結(jié)合PARAFAC法，利用光譜指數(shù)對蘑菇湖水體DOM組成、特性和分布特征進行研究，可了解蘑菇湖水生生態(tài)系統(tǒng)中DOM組成、特征結(jié)構(gòu)變化和遷移，為蘑菇湖TN、TP、重金屬和有毒有害物質(zhì)長期控制、環(huán)境變化預(yù)測以及環(huán)境管理措施制定提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘑菇湖（44°25′～44°29′N，85°52′～85°58′E）位于新疆石河子市瑪納斯河畔，由一片自然洼地形成（圖1）。蘑菇湖水庫最大蓄水面積為31.6 km2，設(shè)計庫容為1.8億m3，正常蓄水位為390.80 m，死水位為379.50 m，年調(diào)節(jié)水量為1.94億m3，控制灌溉面積為800 km2。流域?qū)儆诘湫痛箨懶愿珊禋夂騾^(qū)，多年平均氣溫為7.4℃，夏季極端最高氣溫為42.2℃，冬季極端最低氣溫為-39.8℃，≥10℃積溫為3 570～3 729℃；無霜期為168～171 d；年平均降水量為210.6 mm，主要集中在4—8月。蘑菇湖主要接納農(nóng)田退水和瑪納斯河洪水，起到納污、分流洪水和灌溉下游農(nóng)田的作用。

1.2 樣品采集

于2017年10月使用2.5L Van Dom采水器在蘑菇湖水庫濱湖區(qū)（采樣點1～3）、淺湖區(qū)（采樣點4～6）和深湖區(qū)（采樣點7～8）水深50㎝處進行3次采樣。將3次水樣完全混合，裝入等容量聚乙烯塑料瓶中，在4℃條件下避光保存，運回實驗室進行光譜掃描及理化性質(zhì)檢測。

1.3 實驗方法

將所采集水樣過0.45 μm孔徑醋酸纖維素濾膜后，得到DOM溶液，并將DOM溶液稀釋到10倍，以降低內(nèi)部濾波器效應(yīng)［16］。采用TOC分析儀（日本島津TOC-L CPN CN200）測定樣品DOC濃度，采用熒光分光光度計（日立F7000）檢測樣品3DEEM。熒光分光光度計光源為150 W氙燈，PMT電壓為700 V，激發(fā)波長為 200～450 nm，發(fā)射波長為 260～550 nm，激發(fā)波長和發(fā)射波長狹縫寬度均為5 nm，掃描速度為2 400 nm·min-1。熒光分光光度計根據(jù)拉曼信號自動校準，并以奎寧硫酸鹽單位進行標準化，通過扣除空白水樣、手動置零等方法消除拉曼散射和瑞利散射［17-18］。各采樣點基本水質(zhì)參數(shù)見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

PARAFAC是基于三線分解理論、采用交替最小二乘法的一種多應(yīng)用于三維及多維數(shù)據(jù)解析的數(shù)學(xué)方法［19］。采用MATLAB 2014a軟件中DOMFluor工具箱進行三維熒光光譜矩陣的PARAFAC分析，采用校正散射（瑞利散射及拉曼散射）檢驗去除異常值［19］，并采用裂半分析和殘差分析檢驗PARAFAC模型有效性，最終經(jīng)過反復(fù)迭代確定合適的DOM組分數(shù)［20］。采用MATLAB 2017b軟件中DOMFluor工具箱對DOM三維熒光光譜進行PARAFAC分析。

表1 采樣點基本水質(zhì)參數(shù)Table 1 Water quality parameters at sampling points

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜指數(shù)分析

熒光指數(shù)（FI）指激發(fā)波長為370 nm時，發(fā)射波長在450和500 nm處熒光強度的比值，常用來指示DOM來源［21］。當(dāng)FI值＞1.9時，表示DOM主要來自于由微生物分解的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物；當(dāng)FI＜1.4時，表示DOM主要為經(jīng)徑流進入水體的陸源有機質(zhì)［22］。由表2可知，各樣點FI值為2.714～2.970，平均值為2.850，大于1.9，這說明蘑菇湖上覆水DOM以微生物內(nèi)源性代謝產(chǎn)物為主。自生源指標（BIX）指激發(fā)波長為310 nm時，發(fā)射波長在380和430 nm處熒光強度的比值，可用來表征DOM自生源特征和生物可利用性［23］。當(dāng)BIX值＞0.8時，表示自生源明顯；當(dāng)BIX值＜0.8時，表示自生源不明顯［23］。由表2可知，各樣點BIX值為0.927～0.994，平均值為0.970，大于0.8，這說明蘑菇湖上覆水DOM自生源貢獻較強，生物可利用性高。腐殖化指數(shù)（HIX）指激發(fā)波長為254 nm時，發(fā)射波長在435～480和300～345 nm處積分值（或平均值）的比值［24］。HIX主要用來表征DOM腐殖化程度，其值越大，腐殖化程度則越高［25］。由表2可知，各樣點HIX值為2.585～3.500，平均值為2.910，小于4，這說明DOM腐殖化程度較弱，自生源明顯，主要來源于藻類或細菌分解的短期有機質(zhì)產(chǎn)生［23］。綜上可知，蘑菇湖上覆水DOM以微生物代謝產(chǎn)物為主，腐殖化程度較弱。蘑菇湖上覆水DOM分子結(jié)構(gòu)特征及組成應(yīng)與采樣時間和來水有關(guān)。蘑菇湖來水主要為城市生活污水和農(nóng)業(yè)退水，來水時間為8—9月，溫度較高，微生物活動較強，有機殘體被微生物降解，腐殖化程度較弱。采樣時間為10月，水溫逐漸降低，微生物活性降低，加之蘑菇湖水流平穩(wěn)，自凈能力較差，致使有機質(zhì)腐殖化進程受到抑制。這與張春華等［2］研究結(jié)果相似，表明秋冬季節(jié)蘑菇湖水體中DOM主要為相對分子質(zhì)量較小、腐殖化程度較低的富里酸和類蛋白。

表2 蘑菇湖水體DOM三維熒光光譜指數(shù)及均值Table 2 Spectral index and mean value of DOM in Moguhu Lake

綜上所述，光譜指數(shù)對蘑菇湖上覆水中DOM的來源及腐殖化程度具有較好指示性。由表2可知，蘑菇湖水體DOM來源以自生源為主（FI值＞1.9），腐殖化程度較弱（HIX值＜4），DOM不穩(wěn)定，不能長時間存在于水中，易被微生物或細菌降解為營養(yǎng)源進入生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。DOM腐殖化程度受到自生源貢獻的影響，新鮮的DOM容易被降解為CO2和H2O等，實現(xiàn)有機質(zhì)向無機物的轉(zhuǎn)化。

2.2 PARAFAC分析

如圖2所示，采用PARAFAC分析DOM三維熒光光譜得到4個熒光組分。各熒光組分激發(fā)波長和發(fā)射波長最大值見表 3［7，11，19-20，26-27］，并確定各組分熒光峰種類。

組分C1（激發(fā)波長為260、350 nm，發(fā)射波長為450 nm）包含2個激發(fā)峰和1個發(fā)射峰，分別指示紫外光區(qū)類富里酸熒光和可見光區(qū)類富里酸熒光［7，26］，分別對應(yīng)傳統(tǒng)的A峰（激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為260和400～460 nm）和C峰（激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為320～360和420～460 nm）［28］。A峰主要由相對分子質(zhì)量較大、相對穩(wěn)定的有機物質(zhì)產(chǎn)生；C峰主要由相對分子質(zhì)量較小、高熒光效率的有機物質(zhì)產(chǎn)生，易被氧化降解，但兩者都可能與DOM中羰基和羥基有關(guān)，一般指示外源輸入［7］。組分C4（激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為250和480 nm）與C1同屬紫外光區(qū)類富里酸熒光。

圖2 蘑菇湖水體DOM三維熒光光譜以及激發(fā)和發(fā)射波長Fig.2 3DEEM spectra of DOM in Moguhu Lake water

組分C2（激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為275和350 nm）指示類色氨酸熒光，與羧基官能團有關(guān)，對應(yīng)傳統(tǒng)的T峰（激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為275和340 nm）［29］。類色氨酸被認為是由微生物和細菌降解代謝產(chǎn)生的溶解性微生物代謝產(chǎn)物，且易與大分子蛋白質(zhì)結(jié)合，也易與在同一蛋白質(zhì)中結(jié)合的酪氨酸發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，對熒光峰具有復(fù)雜影響［8］。一些如腐殖質(zhì)中多酚化合物——木質(zhì)素和沒食子酸等非蛋白熒光物質(zhì)，也具有相似熒光峰，這可能與其含有苯酚或苯胺結(jié)構(gòu)有關(guān)［30］。

組分C3（激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為300和400 nm）指示陸源或海洋類腐殖質(zhì)熒光，通常來自廢水和農(nóng)業(yè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定，不易被微生物利用或光降解［20］，對應(yīng)傳統(tǒng)的M峰（激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為 290～310 和 70～410 nm）［28］。郭衛(wèi)東等［29］認為 M峰在陸地淡水中也有存在，不應(yīng)為海洋來源專有特征峰，也有可能是由陸地向海洋中輸入的有色溶解性有機質(zhì)的主要物質(zhì)。陸源或海洋類腐殖質(zhì)相對分子質(zhì)量大，分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對穩(wěn)定，不易被微生物降解或利用，芳香性大于富里酸，其激發(fā)波長和發(fā)射波長存在一定紅移［2］。

表3 4種熒光組分光譜特征Table 3 Spectral characteristics of four fluorescent components

2.3 熒光強度分析

熒光強度與DOM結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，各熒光峰熒光強度可以間接揭示DOM含有的活性官能團及DOM性質(zhì)［3］。較高的熒光強度可能與DOM含有簡單、相對分子質(zhì)量小的組分積累有關(guān)，具有羥基、甲氧基、氨基等低芳香性、聚合度低的給電子基團；而較低的熒光強度可能與DOM含有相對分子質(zhì)量大的羧基、羰基等吸電子基團的組分積累有關(guān)［31］。通過PARAFAC分析識別出蘑菇湖上覆水DOM中C1、C2、C3和C4這4個組分，組分C1和C4同為類富里酸物質(zhì)，其中組分C1為紫外光區(qū)類富里酸和可見光區(qū)類富里酸物質(zhì)，組分C2為類蛋白中的類色氨酸物質(zhì)，組分C3為陸源或海洋類腐殖酸物質(zhì)［7，26-27］。由圖3可知，類富里酸在DOM中占主導(dǎo)地位，其次為類色氨酸，類腐殖酸所占比例最小。3種物質(zhì)在不同采樣點間的含量變化不大。

熒光指數(shù)（FI）與各DOM成分最大熒光強度（Fmax）之間存在一定相關(guān)性，相關(guān)性越高，則DOM組成越簡單，分子縮合度和芳香度越大，活性官能團以低水平的共軛生色團為主［31］。FI與富里酸、色氨酸和腐殖酸的Fmax比例線形擬合結(jié)果見圖4。由圖4可知，富里酸、色氨酸和腐殖酸與FI之間均存在正相關(guān)，富里酸與FI的擬合結(jié)果（相關(guān)系數(shù)r=0.89，P＜0.01）最好，富里酸與FI間呈顯著正相關(guān)。蘑菇湖上覆水DOM的FI值＞1.9（表2），這表明DOM以自生源為主，相較于腐殖酸來說，富里酸含有更多的羰基和羥基，且相對分子質(zhì)量也小。不同采樣點中富里酸、色氨酸和腐殖酸含量差別不大（圖3），這表明蘑菇湖上覆水DOM主要為含羰基、羥基等活性官能團的相對分子質(zhì)量小，且腐殖化、芳香性、分子縮合度較低的類富里酸物質(zhì)。

圖3 各熒光物質(zhì)最大熒光強度比例Fig.3 Percentage of fluorescence intensity of each fluorescent substance

3 討論與結(jié)論

光譜指數(shù)分析結(jié)果表明，蘑菇湖上覆水DOM來源為以自生源為主的微生物內(nèi)源性代謝產(chǎn)物（短期微生物分解藻類和動植物殘體或分泌的有機質(zhì)），腐殖化程度較弱，生物利用性較高。

圖4 各DOM成分最大熒光強度與熒光指數(shù)（FI）相關(guān)性Fig.4 Correlation between components Fmaxand FI

根據(jù)PARAFAC法分析得到蘑菇湖上覆水DOM包含4種組分，組分C1和C4同為類富里酸物質(zhì)，其中組分C1為紫外光區(qū)類富里酸和可見光區(qū)類富里酸物質(zhì)，組分C2為類蛋白中的類色氨酸物質(zhì)，組分C3為陸源或海洋類腐殖酸物質(zhì)。

通過對各組分Fmax所占總組分比例與FI進行線形擬合發(fā)現(xiàn)，各組分與FI均呈現(xiàn)正相關(guān)。其中，富里酸與FI之間存在顯著正相關(guān)（r=0.89，P＜0.01），這表明蘑菇湖上覆水DOM以富含羰基、羥基等活性官能團，相對分子質(zhì)量小，芳香性、腐殖化且分子縮合度較低的類富里酸物質(zhì)為主，色氨酸含量次之，腐殖酸含量最低。

DOM的分子結(jié)構(gòu)特征、組成含量、芳香性和腐殖化程度會影響有機污染物和重金屬的遷移轉(zhuǎn)化，在地球化學(xué)循環(huán)中占據(jù)重要位置，采用3DEEM結(jié)合PARAFAC法研究水體中DOM結(jié)構(gòu)特征及腐殖化程度，有助于為湖泊污染治理及修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。