不同條件下腐殖酸三維熒光特征及水質(zhì)指標(biāo)影響研究

秦亞強 孟凡生 張鈴松 薛浩 張勝

關(guān)鍵詞：腐殖酸；三維熒光特征；水質(zhì)指標(biāo)；線性回歸模型

前言

腐殖質(zhì)（HS）是指土壤中的一種有機質(zhì)，由植物、動物遺骸和廢棄物在微生物作用下不完全分解而生成，主要由腐殖酸、富里酸和胡敏素等成分構(gòu)成。受雨水沖刷及地表徑流作用進入水體中，形成溶解性有機物，使水質(zhì)指標(biāo)化學(xué)需氧量（COD）、高錳酸鹽指數(shù)（CODM）升高。

目前，關(guān)于腐殖質(zhì)的研究主要集中在其形成機制、結(jié)構(gòu)特征及其來源分析，但其在不同條件下的三維熒光特征和與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系尚不明確。因此，深入探究腐殖酸三維熒光特征及其與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系，具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。

綜上所述，研究通過對不同條件下腐殖酸的三維熒光特征及其與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系，探究腐殖酸對水體的影響機制，為水質(zhì)監(jiān)測和科學(xué)評價提供理論支持和技術(shù)手段。

1實驗部分

1.1樣品制備

研究使用的腐殖酸來自天津市津科精細化工研究所。在電子天平上稱取1g腐殖酸放于燒杯中，加入100mL0.1mol/L的NaOH溶液溶解，放置于磁力攪拌器上攪拌，攪拌12h之后用超純水（Millipore，18.2 MQ·cm）定容至1000mL，避光環(huán)境下將定容后的原液放置12h，之后將上清液經(jīng)0.45um濾膜過濾得到腐殖酸母液，腐殖酸溶液放入棕色廣口瓶在4℃下進行保存。取少量腐殖酸母液稀釋，測定DOC值并將其作為腐殖酸母液濃度。

文章主要對pH值和腐殖酸濃度做研究。用腐殖酸母液配制濃度為2mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L和50mg/L腐殖酸溶液，分別調(diào)節(jié)pH值為4、6、7、8和10。

1.2水質(zhì)指標(biāo)測定

采用《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定快速消解分光光度法》（HJ/T399-2007）測定不同腐殖酸濃度及不同pH條件下COD的濃度；采用《水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測定》（GB11892-89）測定COD。

1.3光譜測量方法

采樣三維熒光分光光度計[日立（Hitachi）F-7000]測定腐殖酸溶液的三維熒光光譜，以150W氙燈為激發(fā)光源，PMT電壓為700V，激發(fā)EX波長范圍設(shè)置為200nm～500nm，發(fā)射EM波長范圍設(shè)置為200nm～600nm，增量均設(shè)置為5nm，狹縫寬度為1nm，掃描速率為12000nm/min，響應(yīng)時間設(shè)置為自動。

采樣紫外一可見分光光度計（SPECORD 200PLUS，德國耶拿）測定腐殖酸溶液，將水樣使用匹配的1cm石英比色皿置于UV-2500紫外分光光度計中測定吸光度，設(shè)置測量模式為光譜掃描，波長范圍為200nm～700nm（間隔1nm），掃描速度50m/s，并采用當(dāng)天的Mill-Q超純水用作空白。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用staRdom軟件包（R）進行吸收光譜參數(shù)、熒光光譜參數(shù)計算和區(qū)域積分預(yù)處理，利用MAT-LAB R2022b進行區(qū)域積分計算，利用origin 2021數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及繪圖。

2結(jié)果與討論

2.1不同pH條件下水質(zhì)指標(biāo)的變化

不同pH條件下COD和CODM濃度變化如圖1所示。腐殖酸濃度低于10mg/L時，COD濃度隨pH值的增加而先降低后上升；腐殖酸濃度為20mg/L時，COD濃度不隨pH值的變化而變化；腐殖酸濃度為50mg/L時，COD濃度隨pH值的增大而上升。CODM濃度隨pH值變化而變化不大。表明CODM濃度不受pH值變化影響。其原因是在測定高錳酸指數(shù)時，在進行水浴加熱前需要加入硫酸進行酸化，因此，不同pH值對高錳酸鹽指數(shù)測定影響不大。

2.2不同條件下腐殖酸三維熒光譜的研究

在腐殖質(zhì)分析過程中，三維熒光光譜是一種非常重要的方法。受環(huán)境因素的影響，腐殖質(zhì)在進行三維熒光光譜測定時熒光峰的強度、位置、形狀以及數(shù)量發(fā)生變化，影響最終檢測結(jié)果的可靠性。研究選取pH值、濃度作為控制變量進行的研究。

2.2.1不同濃度腐殖酸三維熒光譜的研究

在不同腐殖酸濃度下三維熒光光譜的熒光特征如表1和圖2所示。通過尋峰法得到四種熒光峰，分別為類腐殖酸、類富里酸、類胡敏酸和類絡(luò)氨酸。其類腐殖酸為主要熒光峰，峰值出現(xiàn)在Ex/Em=265nm/430nm；當(dāng)腐殖酸濃度過高時，腐殖酸三維熒光光譜特征出現(xiàn)肩峰類胡敏酸，峰值出現(xiàn)在Ex/Em=370nm/475nm；當(dāng)腐殖酸濃度過低時，腐殖酸三維熒光光譜特征出現(xiàn)肩峰類絡(luò)氨酸，峰值出現(xiàn)在Ex/Em=245nm/305nm。當(dāng)腐殖酸濃度為2mg/L～20mg/L時，熒光峰的位置基本沒發(fā)生變化，當(dāng)濃度為50mg/L時，熒光峰位置出現(xiàn)略微紅移。熒光強度隨腐殖酸濃度變化如圖3（b）所示，腐殖酸濃度≤20mg/L時，熒光強度隨腐殖酸濃度增加而上升，成一定的線性關(guān)系；腐殖酸濃度為50mg/L時，熒光強度明顯下降。

隨著腐殖酸濃度的增加，腐殖酸溶液中的溶質(zhì)分子逐漸增多，熒光物質(zhì)分子間碰撞的概率大大增加，這樣會導(dǎo)致能量從熒光物質(zhì)分子轉(zhuǎn)移到溶質(zhì)分子，而不是通過輻射的方式釋放能量。這種非輻射轉(zhuǎn)移會使熒光物質(zhì)分子的能量水平下降，從而使物質(zhì)發(fā)射熒光的強度降低，熒光峰位置發(fā)生紅移現(xiàn)象。

總體而言，腐殖酸濃度的增加將導(dǎo)致熒光物質(zhì)分子的能量水平降低，使熒光強度降低，并引起熒光峰位置的紅移。

2.2.2腐殖酸在不同pH條件下三維熒光譜的研究

在不同pH條件時三維熒光的熒光峰位置如圖2所示。pH =4時，腐殖酸的熒光峰位置在Ex/Em=245nm/410nm，所代表物質(zhì)為類富里酸，表明了腐殖酸難溶于強酸；pH=6時，熒光峰位置發(fā)生位移，其位置為Ex/Em=265nm/435nm，所代表的物質(zhì)是類腐殖酸，當(dāng)pH≥6時，隨著pH的升高，熒光峰位置基本沒變化。但當(dāng)pH=7時，低濃度腐殖酸出現(xiàn)新的峰Ex/Em=245nm/310nm，其代表物質(zhì)為類酪氨酸。

熒光強度隨pH變化如圖3所示，當(dāng)腐殖酸濃度為2mg/L、50mg/L時，熒光強度隨pH的變化而變化不大；當(dāng)腐殖酸濃度為5mg/L、10mg/L時，熒光強度隨pH的增大而增大，結(jié)果與大多數(shù)研究結(jié)果一致[6]；當(dāng)腐殖酸濃度為20mg/L時，酸性條件下熒光強度隨pH的增大而增大，而堿性條件下熒光強度隨pH的增大而減小。這可能是由于腐殖酸分子表面含有大量羧基官能團，這些官能團會導(dǎo)致熒光信號猝滅或增強，并且在不同的酸堿度環(huán)境下，腐殖酸分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有所改變，從而引起熒光強度的變化。

2.2.3平行因子組分分析

通過PARAFAC算法對不同pH、不同濃度腐殖酸樣品的三維熒光光譜進行分析，得到三種熒光組分（C1、C2、C3），如圖4所示。使用OpenFluor在線數(shù)據(jù)庫將得到的3種組分與已發(fā)布的PARAFAC模型進行比較，可知C1（Ex/Em=260nm/440 nm）為類腐殖酸組分，C2（Ex/Em=300nm，360nm～400nm/500nm）為類富里酸組分，C3（Ex/Em=<250nm/300nm）為類絡(luò)氨酸組分。與尋峰法得到的熒光峰幾乎一致。

2.3腐殖酸三維熒光光譜參數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

為了研究三維熒光光譜參數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系，文章分別以區(qū)域積分的各個區(qū)域體積（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V）和熒光組分（C1、C2、C3）為自變量，以COD、CODM和DOC為因變量進行了多元線性回歸模型分析。結(jié)果如表2所示，COD、CODM及DOC濃度預(yù)測值與實際值均呈顯著正相關(guān)（P<0.001），且R2值均大于0.8，表明各個水質(zhì)指標(biāo)與自變量的多元線性回歸模型具有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義，用光譜參數(shù)預(yù)測水質(zhì)指標(biāo)COD、CODM及DOC的濃度有較好的效果。

受不同環(huán)境因素的影響，光譜參數(shù)及熒光強度發(fā)生改變，其對回歸模型效果產(chǎn)生一定差異。當(dāng)腐殖酸濃度為50mg/L時，其三維熒光的熒光強度明顯下降；pH值大于8時，熒光強度隨pH增大而減小，因此，研究做了不含腐殖酸濃度為50mg/L樣品和不含pH =10樣品的光譜參數(shù)線性回歸模型對比分析。結(jié)果顯示，不含pH=10和腐殖酸濃度為50mg/L樣品的線性回歸模型的擬合優(yōu)度明顯提高，其COD濃度預(yù)測值與實際值的相關(guān)系數(shù)由0.87上升到0.95；CODM濃度預(yù)測值與實際值的相關(guān)系數(shù)由0.87上升到0.97；DOC濃度預(yù)測值與實際值的相關(guān)系數(shù)由0.86上升到0.97。

通過以區(qū)域積分的各個區(qū)域體積和熒光組分兩種不同自變量對比分析，以區(qū)域積分計算出的五個區(qū)域體積為自變量時，多元線性回歸模型預(yù)測R2值為0.87。以PARAFAC算法計算出的熒光組分為自變量時，多元線性回歸模型預(yù)測R2值為0.99。說明以熒光組分為自變量時，多元線性回歸模型對水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測效果更好。可能在進行熒光區(qū)域積分時，熒光峰重疊問題難以解決，PARAFAC算法能將重疊的熒光特征峰信息分開。與周銘睿等研究農(nóng)村污水COD預(yù)測回歸模型的結(jié)論類似。

3結(jié)論

腐殖酸濃度小于20mg/L時，COD濃度隨pH增大而先降低后上升，腐殖酸濃度大于20mg/L時，COD濃度隨pH增大而上升的趨勢。在pH在4～10范圍內(nèi)日寸，對CODM指標(biāo)影響并不明顯。腐殖酸濃度升高時，熒光特征峰出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，熒光強度隨腐殖酸濃度先上升后下降；pH值的增大時，腐殖酸濃度小于20mg/L時，熒光強度隨pH增大而升高，大于等于20mg/L時，熒光強度先上升后下降。三維熒光光譜數(shù)據(jù)對預(yù)測COD、CODMn DOC水質(zhì)指標(biāo)有較好的預(yù)測效果。然而，當(dāng)腐殖酸溶液pH和濃度較高時，對三維熒光光譜特征產(chǎn)生影響，降低多元線性回歸模型預(yù)測COD、CODM、DOC水質(zhì)指標(biāo)的擬合優(yōu)度。此外，通過PARAFAC算法得到的熒光組分作為自變量時，多元線性回歸模型在預(yù)測水質(zhì)指標(biāo)COD、CODM、DOC方面效果更好。