貴州草海水體溶解性有機物的熒光光譜特征及來源解析

林紹霞,肖致強,張轉鈴,彭 潔,張清海（1.貴州省分析測試研究院,貴州 貴陽 0000；2.貴州省中國科學院天然產物化學重點實驗室,貴州 貴陽 0000；.貴陽市生態環境局清鎮分局,貴州 清鎮 100；.貴州大學,貴州 貴陽0000；.貴州醫科大學,貴州 貴陽 0000）

在水環境中,有機物一般以溶解態、顆粒態和可揮發態三種形式存在[1],其中溶解性有機物（DOM）是水生態系統中最活躍的有機物組成部分,通常認為,DOM 主要是動植物在自然循環過程中經腐爛分解所產生的大分子有機物,是一種復雜的非均質混合物[2-3].盡管DOM僅占地球表面碳庫極小部分,因其分布廣泛且活性高、成分復雜,連接著陸地生態系統和水生生態系統之間的碳轉移,在全球碳循環中扮演著極其重要的角色[4-5].DOM 在控制水生生態系統的物理、化學及生物學性質方面起著重要的作用,對水環境體系的pH、堿度及電荷平衡等有重要影響,與水中許多元素的遷移轉化具有密切聯系[6-7].同時與污染物的遷移轉化、生物降解等水生環境行為相關,DOM含有羧基、醇羥基、酚羥基、羰基等官能團,能與水體中的某些重金屬離子結合,作為重金屬的遷移載體或配位體[8-10],形成重金屬的有機物結合態[11],這種結合作用不僅影響著重金屬離子的化學形態,同時也對金屬離子的物理遷移轉化、毒性及生物有效性等產生重要影響[12-14].研究發現,Cu（II）與DOM 的類蛋白組分具有較強的結合能力[15-16],DOM對Cu和Cd在土壤中的吸附有明顯促進作用,對 Pb有微弱的促進作用,對Zn的吸附影響不明顯[17].

草海緊鄰威寧縣城,湖區被居民村莊包圍,周邊生產活動以農業為主,以往研究普遍認為,草海水環境污染呈現自邊緣向湖心逐漸減弱的趨勢,主要是受威寧縣城污水排放、農業面源和地表徑流等因素的影響[18-21].但都是基于污染物分布特征的推斷,并未進行確切證實,且近來草海生態環境在政府和社會各界的努力下得到很大的改善,其污染物來源亦不同于以往.研究DOM與重金屬或其他污染物的遷移轉化機制時,常將DOM作為影響因素來研究重金屬或其他污染物變化規律.本研究擬在前人揭示水體DOM與重金屬、營養物質和有機污染物在水生生態系統中的相互作用機制基礎上,通過分析DOM在草海水生生態系統中的來源、化學組成及結構特征,揭示草海水環境污染物空間分布特征及污染源,為促進湖泊水質改善和生態環境修復技術研究提供科學理論.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況與樣品采集

1.1.1 研究區域概況 草海濕地位于貴州省威寧縣西南（26°49′-26°53′N,104°12′-104°18′E）方向,地處長江水系金沙江支流,云貴高原中部的烏蒙山山麓腹地,在“中國生物多樣性保護行動計劃”中被列為國家Ⅰ級重要濕地,是貴州省內最大的天然淡水湖泊,中國三大高原湖泊之一.因其具備一個典型且完整的高原退化濕地生態系統,其脆弱性、典型性、重要性、生物多樣性等在我國為數不多的亞熱帶高原喀斯特濕地生態系統中都具有代表意義.

草海濕地總面積為 96km2,集雨面積120km2,水域面積 20.98km2,主要的水源補給是大氣降水,最大水深 5m,平均水深不超過 1.5m.濕地內水生植物豐富,靠近縣城的東面以挺水植物為主,其他區域以沉水植物為主,共有4條入湖河流和1條出湖河流.

圖1 供試樣本分布Fig.1 Distribution of sample sites

1.1.2 供試樣品采集與處理 使用GPS定位,分別于2017年12月和2018年8月對草海濕地湖區的枯水期、豐水期的湖水出入口及湖區進行樣品采集,采集樣品水樣共57個,枯水期23個、豐水期34個,在各采樣點用深水采樣器采集表層（0～30cm）上覆水.現場完成水樣pH值、溶解氧（DO）、電導率的測定后,貯存于無菌采樣袋中,低溫 4℃保存帶回實驗室,分析前先將樣品平衡至室溫（25℃）后,經離心、過濾等過程前處理.水樣 DOM 濃度采用 GE InnovOx Laboratory TOC分析儀測定,高錳酸鉀指數依據GB11892-1989方法測定[22]、氨氮采用納氏試劑分光光度法（HJ535-2009）測定[23]、總氮采用堿式過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T11894-1989）測定[24]、總磷采用鉬酸銨分光光度法（GB/T11893-1989）測定[25],重金屬 Cr、Cu、Zn、Pb、As、Hg 采用美國安捷倫7500ICP-MS測定.

1.2 三維熒光光譜及光譜參數測定

樣品經0.45μm濾膜過濾,采用F97PRO（上海棱光技術有限公司）熒光分光光度計進行三維熒光光譜測定,配以1cm石英比色皿,以 Mill-Q水為空白.測定條件為:激發光源為 150W 氙弧燈,激發波長（λEx）為 200～600nm,發射波長（λEm）為 200～650nm,增量為5nm,PMT電壓為700V,掃描光譜進行儀器自動校正,狹縫寬度為5nm,掃描速度為1200nm/s.

利用三維熒光數據識別熒光組分,分別計算熒光指數FI、自生源指標BIX、腐殖化指數HIX、新鮮度指數 β:α、Fn（355）及 Fn（280）,其中各指數計算方法及環境意義分別為:

（1）熒光指數（FI）:指Ex=370nm時,Em在470nm與 520nm處的熒光強度比值,反映了芳香氨基酸與非芳香物對DOM熒光強度的相對貢獻率,因而可以作為物質的來源以及 DOM 降解程度的指示指標.FI＞1.9,表示DOM主要源于水體自身微生物活動,自生源特征明顯;FI＜1.4,表示 DOM 以外源輸入為主,水體自身生產力貢獻相對較低[26].

（2）自生源指標（BIX）:指 Ex=310nm 時,Em在380nm與430nm處熒光強度比值.這個參數反映了新產生的 DOM 在整體 DOM 中所占的比例,自生源指數越高表明 DOM 降解程度增加、內源碳產物越容易生成.BIX＞0.8自生源特征明顯;BIX＜0.8自生源特征不明顯[27].

（3）腐殖化指數（HIX）:指 Ex=254nm 下,Em在435～480nm 熒光強度積分值和 300～345nm 熒光積分值之比.腐殖化指數（HIX）是評價 DOM 腐殖化程度的重要指標,能一定程度上反映 DOM 輸入源特征,HIX＞4腐殖化程度高;HIX＜4腐殖化程度低[28].

（4）新鮮度指數（β:α）:指 Ex=310nm 時,Em在380nm處熒光強度與Ex在420～435nm區間最大熒光強度的比值.反映新生DOM在整體DOM中所占比例,是評估水體生物活性的重要依據[27].

（5）Fn（355）:Ex=355nm時,Em在440～470nm區間最大熒光強度.表征類腐殖質物質相對濃度水平[29].

（6）Fn（280）:Ex=280nm 時,Em在 340～360nm 區間最大熒光強度.表征類蛋白物質相對濃度水平[29].

1.3 統計分析

在Matlab 2014a中使用DOMFlour工具箱運行平行因子分析（Parafac）模型對水樣進行三維熒光數據進行分析,將所有樣品的熒光矩陣組合,構成一個新的三維矩陣組進行平行因子處理.整個分析過程包括數據處理（扣除空白、去除瑞利和拉曼散射）,去除異常值并利用核一致性結果及激發、發射光譜的誤差平方和曲線,初步確定組分數范圍,確定組分數并進行裂半分析與有效性檢驗.

采用Surfer12 繪制采樣點分布圖、對DOM組分熒光強度進行克里金插值,分析空間分布情況,SPSS16.0進行數據統計分析.

2 結果與討論

2.1 草海水體環境質量分析

草海水環境質量指標如表 1所示,根據GB3838-2002[30]對草海湖泊水體各水質參數進行評價發現:枯水期,草海水體 75%的調查樣本 pH 為7.27～7.63,DO基本滿足 I類水質標準要求,氨氮含量為0.03～3.03mg/L,其中50%樣本氨氮含量小于II類水質標準限值,CODMn的值為 5.08～11.32mg/L,且25%百分點位上樣本CODMn為6.43mg/L,大于IV類水質標準限值;總磷含量為0.23～0.47mg/L,超出湖泊水體V類水質標準限值,總氮含量為0.31～1.34mg/L,介于II～IV類水之間.

表1 草海水體環境質量Table 1 Water quality in Caohai lake

豐水期,調查水樣pH值為7.01～10.25,樣本離散性大于枯水期,屬堿性水質范疇.25%百分位點上DO值為 6.60,大于 II類水質標準限值,75%的供試水樣的DO值分布在I、II類水質標準范圍內;CODMn在豐水期與枯水期差異不大,均分布在III、IV類水質標準限值內.氨氮含量介于I、II類水質標準限值范圍 ,數據離散性小于枯水期;總氮含量介于II、III類水質標準限值范圍.總磷含量為0.03～1.05mg/L,樣本總磷含量最小值已達到湖泊水體 III類水質標準,75%百分位點上總磷含量為0.14mg/L,說明有1/4的樣本總磷含量已達到 V類水質標準,可見磷是草海水體富營養化的主要控制因素,枯水期較豐水期富營養程度更為明顯,因此在草海水質提升改良過程中,枯水期的減磷控氮措施尤為重要.

相關研究表明,不同來源的有機質,其 C/N 有顯著差異,低等水生生物的降解產物含有較多的蛋白質,其TOC/TN值一般小于7,而陸源高等植物富含木質素,TOC/TN通常為20～30,同時有機質的降解也將改變C/N,因此可以通過TOC/TN來區分這兩個來源的有機質[31].在對湖庫型湖泊有機碳來源解析研究中,把有機質內、外源C/N的臨界值定為8,C/N大于8,一般認為有機碳主要表現為陸源性,也有自生源影響,為復合來源.當C/N小于8,湖泊有機質主要為自生源,湖泊水體具有較高的初級生產力[32].草海水體 C/N值枯水期在 5～48、豐水期在1～66,表明草海有機碳來源為陸源、自生源復合型.

2.2 草海水體三維熒光組分

為進一步定量解譯草海湖泊水體有機碳組成,采用三維熒光-平行因子法對水體中 DOM 進行分析,根據平行因子得出的核一致性檢驗結果,草海水體共識別出4種溶解性有機物組分,包括3個類腐殖質及1個類蛋白質組分,所有組分都具有單一發射峰和單一激發峰,分別為 C1（Ex/Em=360nm/450nm）、C2（Ex/Em=390nm/509nm）、C3（Ex/Em=330nm/400nm）、C4（Ex/Em=280nm/350nm）,其三維熒光光譜見圖2所示,各組分的激發波長/發射波長,性質描述及與文獻的對比見表2.

表2 草海水體DOM熒光團組分特征Table 2 Fluorescent characteristics of DOM in Caohai water

圖2 PARAFAC模型解析出的水體DOM熒光組分光譜Fig.2 Fluorescence components of water identified by PARAFAC model

組分C1為類腐殖質熒光峰,主要為小分子類腐殖質構成,対映傳統 C 峰.普遍存在于天然水體,土壤、森林和濕地中,不易被光降解和生物降解,屬于典型的陸源性有機質.也可能來源于原位細菌降解過程中細菌呼吸作用的副產物,有研究學者發現,浮游植物原位降解產生的 DOM 中包含大約 25%的類腐殖質熒光[33].

組分 C2為可見光類腐殖質酸（胡敏酸）熒光峰,反映生物降解來源的硌氨酸形成的熒光峰,代表與微生物降解產生的芳香性蛋白質類結構有關的熒光基團,対映傳統D峰.

組分C3為可見光區類富里酸峰,被認為主要是分子量較高的熒光特征與富里酸類似的 UVA類腐殖質,位于傳統M峰位置,一般來自陸生植物或土壤有機物.

組分C4為類蛋白質熒光峰,與羧基官能團有關,類蛋白主要反映的是生物降解來源的類色氨酸物質,易于大分子蛋白結合,對應傳統的T峰.草海中的類蛋白主要來源于地表徑流,浮游初級生產者,水生植物等.

其中C1、C2、C3都屬于類腐殖質,腐殖質按其溶解程度不同,可分為胡敏酸、富里酸和胡敏素[34],由于胡敏酸的芳香性大于富里酸,其激發和發射波長存在一定的紅移[35],C3反映了長波類腐殖質的熒光特性.

2.3 草海水體熒光組分分布特征

解析出組分C1、C2、C3、C4后,根據其最大熒光強度（Fmax）計算草海水域各個組分熒光強度相對豐度如圖 3所示,不同時期各采樣點熒光組分比例結果表明,季節不同,草海水體 DOM 熒光強度差異顯著,豐水期總熒光強度為6.63～34.12R.U,而枯水期總熒光強度為 87.22～421.29R.U,不同時期各組分熒光強度構成結果顯示,草海水體DOM的構成枯水期為類腐殖質（C1,49%）＞長波段類腐殖質（C2,23%）≈可見光區類富里酸（C3,23%）＞類蛋白質類/類色氨酸類（C4,5%）,豐水期為類腐殖質（C1,47%）＞可見光區類富里酸（C3,26%）＞陸源類腐殖質（C2,22%）＞類蛋白質類/類色氨酸類（C4,5%）,說明草海水體中 DOM為類腐殖質主導型,類腐殖質占總DOM近50%的比例,進一步體現草海為典型湖泊的特征.草海水體DOM中類腐殖質（C峰）的熒光強度豐水期為3.22～27.59R.U,枯水期為 43.56～206.43R.U;陸源類腐殖質（D峰）的熒光強度豐水期為0.39～5.22R.U,枯水期為21.42～104.57R.U;可見光區類富里酸（M 峰）的熒光強度分水器為 1.59～5.99R.U,枯水期為 18.88～94.94R.U;類蛋白質/類色氨酸（T峰）的熒光強度豐水期為 0.26～1.69R.U,枯水期為 3.36～15.48R.U.草海水體均有不同程度的代表陸源腐殖質的D峰、類蛋白物質的 T峰,這可能源于草海湖泊毗鄰城鎮,農田圍繞,接納了居民生活污水和地表徑流、農業生產活動等因素,大量的DOM進入水體.

圖3 不同時期各采樣點熒光組分強度Fig.3 Fluorescence intensity of three components in water along sample sites

各組分熒光強度分布特征的分析結果顯示,枯水期,組分C1、C2、C3、C4總體上均表現為北部湖心向周邊擴散的趨勢（圖 4）,在秋冬枯水期,受草海高原季風氣候的影響,區域溫度低,水體生物活動和微生物降解過程緩慢,大量水生植物到達枯萎凋零時節,植物死亡腐化殘余物來不及被水生生物降解,因此在水流動相對平穩的湖心沉積下來.此外由于秋冬季節降水少,湖泊周邊受到地表徑流,降水稀釋等外援干擾小,溶解有機物的外部輸入相對較少.豐水期,水體有機物組分的分布特征表現為自西南向東北減少的趨勢（圖 5）,一方面,草海湖西部的大中河為主要入水河流,匯集了草海西南部村莊、農田生活生產排水,河水中攜帶的大量有機物進入草海得到稀釋.另一方面,草海湖南部為草海主要農業生產區域,在降雨集中的 7、8月份,南部湖域水體受農田徑流的影響大,水中DOM主要表現為外部輸入的特征.

圖4 草海水體枯水期熒光組分分布Fig.4 Spatial distribution of fluorescence intensity in rainless season

圖5 草海水體豐水期熒光組分分布Fig.5 Spatial distribution of fluorescence intensity in rainfall season

水中 4種熒光組分相關性分析結果顯示,枯水期,水中可見光類腐殖質C1與長波段腐殖質C2、可見光區類富里酸C3、類蛋白質C4在P＜0.01條件下,相關系數分別為0.983、0.994、0.819,達到顯著相關,長波段腐殖質C2與可見光區類富里酸C3、類蛋白質 C4在 P＜0.01條件下,相關系數分別為0.969、0.844,具有顯著相關性,可見光區類富里酸C3與類蛋白質C4在P＜0.01條件下,相關系數分別為 0.845,同樣具有顯著相關性,說明枯水期水中DOM 具有相近的來源.豐水期,水中可見光類腐殖質C1與類蛋白質C4,長波段腐殖質C2與可見光區類富里酸C3、類蛋白質C4;可見光區類富里酸C3與類蛋白質C4在P＜0.01條件下,相關系數分別為0.556、0.975、0.644、0.720,具有顯著相關性,說明豐水期水中可見光類腐殖質與其它三種熒光組分為不同源物質.

表3 水體4種熒光組分相關性分析Table 3 Pearson correlations analysis of four components in the DOM

2.4 草海水體中DOM的來源解析

為進一步分析草海水體中 DOM 來源特征,對DOM 的熒光特征參數進行分析,結果見圖 6所示.熒光指數 FI在枯水期為 1.622～2.129,豐水期為1.209～1.980,圖6（a）所示,枯水期DOM具有明顯的內源性特征（FI＞1.4）,其中 52%供試樣本 FI＞1.9,源于細菌和藻類等水體微生物活動產生的DOM占主導地位.豐水期供試樣本中85%樣本FI＞1.4,水體中DOM兼具內外源特征,局部區域體現出以陸生植物和土壤有機質等外援輸入FI＜1.4為主.

自生源指標BIX在枯水期為0.627～0.954,均值為 0.781;豐水期為 0.709～1.341,圖 6（a）所示,均值為0.987.Birdwell J.E.等研究認為BIX在0.6～0.8之間表示自生源貢獻小,0.8～1.0之間表明新生的自生源DOM 較多[44],自生源指標體現新生 DOM 在總體DOM中所占比例,比例越高,說明水體DOM降解生成內源性有機物的能力越強,枯水期供試樣本中43%樣本BIX＞0.8,豐水期88%的供試樣本BIX＞0.8,可見豐水期水體DOM具有較強的自生源特征,枯水期具有中度自生源性.

腐殖化指數HIX在枯水期為0.308～0.439,豐水期為 0.452～0.499,表明草海水體 DOM 腐殖化程度較低（HIX＜4）.

新鮮度指數枯水期為 0.587～0.799,豐水期為0.581～0.977,圖6（b）所示,新鮮度指數反映新生DOM在整體 DOM 中所占比例,β代表新近產生 DOM,α代表降解程度較高的DOM,是定量評估水體生物活性的依據之一,進一步印證草海水體DOM在枯水期和豐水期來源不同,新生 DOM 占比較高,與自生源指標分析結果相一致.

Fn（355）代表 DOM 中類腐殖質組分的相對濃度,Fn（280）代表類蛋白質的相對濃度,亦是DOM陸源和自身源相對貢獻率的表征指標,如圖6（c）所示,枯水期 Fn（355）為 54.86～227.70,Fn（280）為 13.23～27.00;豐 水 期 Fn（355）為 14.60～41.37,Fn（280）為11.82～15.67,進一步驗證熒光組分識別結果,類腐殖質（C1）在草海 DOM 中相對濃度高于類蛋白質（C4）.

圖6 草海水體熒光參數范圍Fig.6 Distributions of fluorescence parameters in water

總體分析來看,草海水體DOM來源以自生內源產生輔以部分陸源輸入的方式,通過細菌微生物降解生成內源性有機物的自生源能力強,以新近產生的有機物相對濃度高,腐殖化程度低,類腐殖質物質遠大于類蛋白物質.枯水期內源性較豐水期更顯著,主要是草海為天然型濕地湖泊,補水主要靠大氣降水,外源輸入較少,表現為枯水期內源性明顯,在豐水期由于湖泊周邊農田溢流、地表徑流,居民區徑流等因素影響,豐水期存在外源輸入性特征.

2.5 草海水體DOM與水環境質量相關性分析

為進一步分析草海水體DOM來源,將DOM組分與水環境質量指標進行相關性分析,采用 Pearson相關性分析結果見表 4,經 K-S檢驗,參與分析的指標均滿足正態分布（P＞0.05）.結果顯示,水中DOM組分與氨氮、總氮、總磷、TOC等存在相關性,枯水期四個熒光組分與氨氮相關性達到顯著水平,可見DOM組分來源與氨氮形成相似,主要是通過水體中細菌、微生物活動產生,曹昌麗等研究亦表明熒光組分強度與水環境中氮、磷的遷移轉化有關[45].已有大量研究表明水體中重金屬存在會引起熒光猝滅[16],其受影響的程度與DOM類型有關[15],DOM對重金屬的絡合能力與DOM分子量有關[8].表4結果顯示,草海水體 DOM 組分與重金屬 Cr、Cu、Zn、Pb、As具有相關性,其中以 Zn、As相關性更為顯著,一方面說明水體中DOM組分與Zn、As的絡合能力強,另一方面通過 DOM 自生源特征,也可說明草海水體中Zn、As來源為內部釋放的特征.

表4 熒光組分與水質指標相關性Table 4 Correlations between fluorescence components and water quality index

3 結論

3.1 草海水體的磷富營養化嚴重,枯水期已超出湖泊水體V類水質標準限值,豐水期,磷含量的最低值都達到III類水質標準限值,人類活動頻繁的碼頭區域水質明顯劣于湖心地區,可見人為活動對草海水質存在明顯干擾.

3.2 草海DOM中含有2類4種組分,分別是類腐殖質（Ex/Em=360/450）、胡敏酸（Ex/Em=390/509）、類富里酸（Ex/Em=330/400）、類蛋白質（Ex/Em=280/350）.腐殖質類（C1+C2+C3）占 95%,其中類腐殖質（C1）在DOM接近50%的比例,蛋白質類占5%.

3.3 草海DOM以水體細菌、微生物活動產生自生源有機物為主,輔以部分外源性有機物,枯水期水體DOM內源性顯著于豐水期,歸因為草海天然降水補給的特征,枯水期降水少,豐水期受周邊農田、村莊地表徑流影響而產生陸源輸入DOM.

3.4 熒光組分與水環境中氮、磷、重金屬元素的顯著相關性,在一定程度上可以通過DOM指示水體富營養化程度,從水體物質來源解析的角度亦可表明水體重金屬來源于湖泊內源釋放.

3.5 通過對草海水體 DOM 來源解析,以試驗數據證實草海水體物質來源的自生源特征,表明近年來草海環境管制措施取得明顯成效,水環境污染的外源因素得到很好的控制.