太湖水體溶解性有機質(zhì)熒光特征及分析對防止水體污染的意義

　　1 引言

　　溶解性有機質(zhì)(Dissolved Organic Matter，DOM)是一類(lèi)含有富里酸、腐殖酸、芳烴聚合物質(zhì)等可溶性的有機質(zhì)，能夠反映水體性質(zhì)組成，對生態(tài)系統有重要作用.DOM含有豐富的碳、氮、磷等生源要素，在湖泊系統中，其在各種物理、化學(xué)和生物以及藍藻水華爆發(fā)過(guò)程中扮演十分重要的角色.DOM兩個(gè)主要來(lái)源分別是陸源輸入和生物內源釋放，前者主要來(lái)自降水、入湖河水、污水 處理廠(chǎng)廢水以及直排生活污水等，但近些年來(lái)，管理部門(mén)加大對工業(yè)廢水以及生物污水的達標排放，外源污染逐漸得到控制，而后者來(lái)源主要為水生植物、藻類(lèi)和細菌等分泌、排泄物及其殘體分解產(chǎn)物.與外源相比，內源DOM富含豐富的碳水化合物，較易降解，且參與微生物食物鏈中物質(zhì)遷移轉化及能量傳遞，對初級生產(chǎn)力具有顯著(zhù)貢獻.有研究發(fā)現，內源DOM是湖泊藻類(lèi)爆發(fā)過(guò)程中營(yíng)養物質(zhì)的重要來(lái)源，對湖泊內源DOM化學(xué)結構的表征和分析是研究其遷移轉化的關(guān)鍵所在.

　　近些年來(lái)，三維熒光光譜技術(shù)以其樣品用量少、重復性高、靈敏度高、不破壞樣品結構等優(yōu)勢，被廣泛應用于湖泊沉積物、水體及植物DOM組成結構及遷移轉化規律研究.另外，3DEEM分析結合其他的數據分析方法(如：平行因子分析法)，研究水體中DOM特征及其來(lái)源，為認識湖泊水體中DOM提供了新的可能.而對于典型富營(yíng)養化淺水湖泊(太湖)而言，3DEEM技術(shù)結合平行因子法被應用于太湖水體、沉積物DOM的組成結構、來(lái)源以及分布規律研究.除了沉積物中累積有機質(zhì)的降解釋放，水生植物和藻類(lèi)生長(cháng)過(guò)程中分泌物、死亡殘體降解等也對太湖水環(huán)境中DOM產(chǎn)生了重要的影響.尤其是水生植物在太湖中廣泛分布，例如東太湖水生植物可占太湖總水生植物的74%.然而，對太湖水體、沉積物釋放、水生植物和藻類(lèi)殘骸腐解后產(chǎn)生的DOM化學(xué)和光學(xué)特性的差異及其相互關(guān)系研究十分有限.故本研究利用3DEEM技術(shù)結合平行因子分析法(PARAFAC)，分析太湖水體DOM的組成結構和分布規律，研究沉積物的釋放以及藻類(lèi)和水生植物殘骸降解對水體中DOM熒光組成特征的影響，以期為深入理解內源污染對富營(yíng)養化湖泊生態(tài)系統物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境行為特性提供科學(xué)依據.

　　2 材料與方法

　　2.1 樣品采集與處理

　　2015年5月18—28日在太湖8個(gè)典型區域(竺山灣、梅梁灣、貢湖灣、東部區、東太湖、湖心區、西南湖區和南部沿岸)采集表層水(水面以下0.5 m)和藻類(lèi)、水生植物及表層沉積物樣品(圖 1).水質(zhì)基本參數(pH、溶解氧、水溫、電導率)現場(chǎng)測定，測定結果見(jiàn)表 1.采集后的樣品置于冷藏箱中黑暗低溫保存，并立即送往實(shí)驗室.其中，水體樣品采用玻璃纖維濾膜(GF/F，Whatman，UK)過(guò)濾，并進(jìn)行溶解性有機碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)含量測定及3DEEM、紫外吸收系數UV254的分析.

　　　　圖1 太湖水體采樣點(diǎn)分布

　　　　表1 太湖采樣點(diǎn)坐標及基本水質(zhì)參數

　　8個(gè)點(diǎn)位的藻類(lèi)、水生植物和沉積物樣品分別等量混合為3個(gè)樣品，分別放置錐形瓶中加入超純水后密封，置于人工氣候室中，光照條件：3000 lx;明暗周期12 h ∶ 12 h;溫度(22±1)℃，實(shí)驗中所有玻璃儀器經(jīng)HCl浸泡24 h，洗凈后高溫滅菌(160 ℃，1 h).取樣時(shí)間為培養前0 d和培養后10 d的上午10:00，使藻類(lèi)和水生植物自然死亡腐爛分解，沉積物自然釋放，培養前和培養后每個(gè)處理各取20 mL液體，經(jīng)玻璃纖維濾膜(GF/F，Whatman，UK)(450 ℃，灼燒4 h)過(guò)濾后用于3DEEM的分析測定.

　　2.2 三維熒光、DOC及UV254的分析測定

　　3DEEM測定采用HITACHI F-7000熒光分光光度計(1 cm石英熒光樣品池).激發(fā)光源：150 W氙弧燈;PMT電壓：700 V;信噪比>110，;響應時(shí)間：自動(dòng);帶通(B and pass)：激發(fā)波長(cháng)λEx=5 nm，發(fā)射波長(cháng)λEm=5 nm;掃描速度：2400 nm · min-1;掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正;水樣掃描波長(cháng)范圍：λEx=200~400 nm;λEm=250~500 nm，藻類(lèi)和沉積物樣品掃描波長(cháng)范圍：λEx=200~450 nm;λEm=250~600 nm，水生植物樣品掃描波長(cháng)范圍：λEx=200~600 nm;λEm=250~800 nm;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(shí)驗過(guò)程中每隔5個(gè)樣品，利用Milli-Q超純水的拉曼光譜強度監控熒光儀的穩定性，同時(shí)利用0.01 mg · L-1硫酸奎寧進(jìn)行熒光定標.

　　水樣UV254的測定采用Agilent安捷倫8453紫外可見(jiàn)分光光度計，以1 cm比色皿Milli-Q超純水做空白，同時(shí)測定溶液在254 nm和365 nm處的吸光度，利用其差值消除懸浮物吸光度值測定的影響.另外，采用TOC測定儀(Multi N/C 3100，德國)分析水體樣品中DOC濃度.

　　2.3 數據分析

　　在Matlab中使用DOMFluor工具箱運行PARAFAC法模型對采樣點(diǎn)的3DEEM數據進(jìn)行分析，采用SPSS 11.5軟件進(jìn)行均值、標準差等數據統計分析，3DEEM光譜圖用Sigmaplot12.0軟件進(jìn)行處理.

　　3 結果與討論

　　3.1 太湖DOM主要熒光峰

　　不同湖區水體采樣點(diǎn)和降解實(shí)驗DOM三維熒光樣品檢測后，共得到8種熒光組分，見(jiàn)表 2.其中T1、T2、B1、B2合稱(chēng)為類(lèi)蛋白熒光峰，T1、T2峰反映的 是生物降解來(lái)源的類(lèi)酪氨酸物質(zhì)，代表與微生物降解產(chǎn)生的芳香性蛋白類(lèi)結構有關(guān)的熒光基團.而B(niǎo)1、B2峰反映的是生物降解來(lái)源的類(lèi)色氨酸物質(zhì)，與DOM中的芳環(huán)氨基酸結構有關(guān).而F、M、C、A峰反映的是類(lèi)腐殖酸、類(lèi)腐殖質(zhì)及可見(jiàn)區和紫外區的類(lèi)富里酸，代表較難降解的DOM，與類(lèi)富里酸熒光和腐殖質(zhì)結構中的羥基和羧基有關(guān)，一般來(lái)自于陸源，也可能來(lái)源于原位細菌降解過(guò)程中細菌呼吸作用的副產(chǎn)物.有研究學(xué)者發(fā)現，浮游植物原位降解產(chǎn)生的DOM中包含大約25%的類(lèi)腐殖質(zhì)熒光.本研究中出現的熒光峰與劉明亮、宋曉娜等對太湖DOM三維熒光光譜分析得到的熒光峰類(lèi)型一致.

　　表2 溶解性有機質(zhì)的主要熒光峰及相應位置

 　　3.2 太湖水體DOM熒光特征及熒光強度

　　太湖水體均不同程度的出現了代表類(lèi)色氨酸熒光物質(zhì)的T1、T2峰：T1峰強度南部沿岸8#>梅梁灣2#>貢湖灣3#;T2峰強度南部沿岸8#>竺山灣1#>梅梁灣2#>貢湖灣3#;其余區域T1、T2峰相差不大.這可能是因為太湖南部沿岸接納了湖州市大量工業(yè)廢水和生活污水，使大量DOM進(jìn)入湖區內，同時(shí)，西南湖區靠近宜興市，且分布著(zhù)大量的入湖河流(如大浦河等)，其順流而下流入南部區，最終 造成南部沿岸水體營(yíng)養鹽豐富，微生物活動(dòng)比較活躍，浮游動(dòng)植物死亡分解后會(huì )產(chǎn)生大量類(lèi)色氨酸等類(lèi)蛋白物質(zhì)，而北部湖區(如梅梁灣、竺山灣、貢湖灣)屬于典型的藻型湖區，該區域接納了常州市和無(wú)錫市大量的工業(yè)廢水和生活污水，人為影響較大，再加上太湖受到西北風(fēng)向的影響，藻類(lèi)等浮游生物易在北部湖區停留繁殖生長(cháng)，最終造成類(lèi)色氨酸物質(zhì)的增強，這與宋曉娜等的研究結果一致.其中，竺山灣1#水體不僅存在大量T1、T2類(lèi)色氨酸熒光峰，還出現了代表類(lèi)腐殖酸的F熒光峰和代表可見(jiàn)區類(lèi)富里酸的C熒光峰，其相對類(lèi)色氨酸來(lái)說(shuō)，熒光強度略小，說(shuō)明竺山灣還有部分外源輸入，有研究發(fā)現漕橋河和太滆運河是竺山灣的主要入湖河流，尤其是漕橋河位于常州市武進(jìn)區與宜興市的交接處，工業(yè)排放密集，導致攜帶大量DOM的工業(yè)廢水和生活污水進(jìn)入河道，再流入竺山灣，最后導致竺山灣的類(lèi)腐殖酸物質(zhì)和類(lèi)蛋白物質(zhì)均較高，使其DOM兼具了陸源與生物來(lái)源的雙重特性.

　　　　　　表3 太湖水體DOM熒光峰位置及強度

　　已有研究表明，在藻類(lèi)爆發(fā)期間太湖水體主要以類(lèi)色氨酸熒光物質(zhì)和類(lèi)酪氨酸物質(zhì)等類(lèi)蛋白物質(zhì)為主，但本研究中只出現了類(lèi)色氨酸熒光物質(zhì)，這可能是因為5月下旬，太湖藻類(lèi)處于生長(cháng)初期，還未達到藻類(lèi)爆發(fā)高峰時(shí)期，藻類(lèi)死亡腐爛分解還在湖水自?xún)舻某惺芊秶�之內，部分�?lèi)酪氨酸物質(zhì)濃度低于熒光光譜檢測限導致未檢測出來(lái).

　　3.3 太湖水體DOM污染來(lái)源分析

　　熒光指數(Fluorescence Index，f450/500)定義為激發(fā)波長(cháng)為370 nm時(shí)，發(fā)射波長(cháng)在450 nm與500 nm處的熒光強度比值.該指數通常用來(lái)研究和表征DOM中腐殖質(zhì)的來(lái)源.陸源和生物來(lái)源DOM的f450/500值分別為1.4和1.9(Jaffé et al.， 2004).由表 4可見(jiàn)，竺山灣f450/500為1.53±0.06，接近陸源f450/500值(1.4)，而梅梁灣f450/500最高(1.75±0.58)，其次是貢湖灣和南部沿岸，這表明梅梁灣受內源污染較大，梅梁灣、貢湖灣等北部湖區和南部沿岸屬于典型的藻型湖泊，其藻類(lèi)等微生物活躍，造成水體類(lèi)蛋白物質(zhì)豐富，而竺山灣受到城市等工農業(yè)及生活用水的排放，使得該湖區具有陸源與生物內源雙重性質(zhì)，且接近陸源特征.其中，竺山灣1#點(diǎn)DOC濃度達到(7.13±2.45)mg · L-1，為全湖最高，這也說(shuō)明其有機物濃度最高，污染最為嚴重;其次是東太湖，該區域是典型的草型湖泊，水生植物旺盛，其有機碳來(lái)源和含量較豐富，這與湖泊類(lèi)型和水生植物有機碳輸入密切相關(guān).而UV254可表征溶液中芳香性和具有雙鍵結構的物質(zhì)含量，疏水性的物質(zhì)易被吸附，而芳香性和具有雙鍵結構的物質(zhì)是構成疏水性物質(zhì)的主要組分.UV254作為有機物檢測的重要水質(zhì)指標，可替代COD和TOC評價(jià)溶液中有機物含量.如表 4所示，UV254從高到低為竺山灣>梅梁灣、貢湖灣>湖心區>南部沿岸>東部區>西南湖區>東太湖，竺山灣最高可能是由于外源輸入的腐殖質(zhì)一般為疏水性物質(zhì)，而東太湖最低與該湖區生態(tài)環(huán)境有關(guān)，水生植物茂密，腐爛分解后，易被水體中微生物分解利用的親水性物質(zhì)釋放到水體中，因此代表疏水性質(zhì)的UV254值較低.另外，熒光指數、UV254以及DOC濃度的分析結果與太湖各采樣點(diǎn)水體3DEEEM表征結果所反映出來(lái)的特征基本一致.

表4 太湖水體熒光指數、UV254和DOC濃度

　　3.4 太湖藻類(lèi)、水生植物降解以及沉積物釋放對水體DOM熒光特征的影響

　　在培養前(0 d)，太湖采集的藻類(lèi)樣品水溶解性有機質(zhì)出現了7類(lèi)熒光峰，分別是代表類(lèi)腐殖酸的F峰，類(lèi)富里酸的C、A峰，類(lèi)酪氨酸的T1、T2峰和類(lèi)色氨酸的B1、B2峰，藻類(lèi)死亡腐爛分解后產(chǎn)生的DOM中具有類(lèi)色氨酸和類(lèi)酪氨酸等類(lèi)蛋白物質(zhì)，這與藻類(lèi)等殘骸含有大量蛋白質(zhì)密切相關(guān).在經(jīng)過(guò)10 d的自然降解后，藻類(lèi)DOM中類(lèi)蛋白熒光物質(zhì)中的紫外區類(lèi)色氨酸B2和類(lèi)酪氨酸T2熒光峰消失，同時(shí)，其他熒光峰的熒光強度均有不同程度的降低.其中，紫外區與可見(jiàn)區的類(lèi)富里酸降解率最大，分別降解了70.3%和41.0%.這說(shuō)明在藻類(lèi)自然死亡腐爛分解的過(guò)程中，自身的部分類(lèi)蛋白物質(zhì)和部分類(lèi)富里酸物質(zhì)在細菌等微生物的作用下逐漸降解，這部分營(yíng)養物質(zhì)可能進(jìn)一步釋放至水體或在表層沉積物中累積，并造成水體及湖泊生態(tài)環(huán)境的二次污染.水生植物DOM中出現的熒光峰較少，分別為代表類(lèi)腐殖酸的F峰和陸源類(lèi)腐殖質(zhì)的M峰，其中類(lèi)腐殖酸出現了兩處熒光峰位置，分別為Ex/Em=450/530和410/480.這與Qu等研究報道的滇池水生植物中DOM熒光峰特征類(lèi)似.在水生植物及其DOM自然降解后，F峰合成為一個(gè)熒光峰，熒光波長(cháng)稍有偏移，出現在Ex/Em=410/470，而M峰消失.對水生植物的熒光強度變化進(jìn)一步研究表明消失的M峰熒光強度恰好與F峰熒光強度的增加等量.這暗示了在水生植物來(lái)源的DOM自然降解過(guò)程中，陸源類(lèi)腐殖質(zhì)M峰向著(zhù)類(lèi)腐殖酸F峰轉化，形成更穩定的高分子聚合物，因此水生植物殘骸對水體二次污染的貢獻率低于藻類(lèi)腐爛殘骸.當然，水生植物的腐爛分解過(guò)程也會(huì )向水體釋放DOM，且隨腐解時(shí)間的長(cháng)短變化不同，生物量越大，其釋放的TN越多，對水質(zhì)的影響越大，隨著(zhù)腐解時(shí)間越長(cháng)，DOM結構越復雜，腐殖化程度越高.

　　除了藻類(lèi)和水生植物死亡腐爛分解產(chǎn)生的DOM會(huì )進(jìn)入湖泊水體中，沉積物向上覆水體的釋放作用也不容小覷，在沉積物培養前(0 d)，沉積物來(lái)源的DOM出現了5類(lèi)熒光峰，兼具外源污染的類(lèi)富里酸熒光C峰和A峰，也同時(shí)含有生物來(lái)源的B1、B2、T2類(lèi)蛋白熒光峰，這表明水體、藻類(lèi)或水生植物殘體中的有機物通過(guò)沉降作用部分沉積在表層沉積物中，間接反映了沉積物中DOM的來(lái)源.培養10 d后，沉積物DOM中的類(lèi)蛋白熒光T2峰全部消失，B1和B2熒光物質(zhì)的降解率分別高達86.5%和82.5%，而類(lèi)富里酸熒光C峰和A峰略有上升，分別上升25.1%和1.5%,這是由于類(lèi)蛋白熒光峰(包括T1、T2、B1和B2峰)由一些帶有熒光基團(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)的氨基蛋白酶和多肽等較為簡(jiǎn)單分子結構、分子縮合度較低的有機物質(zhì)組成，因此易于降解.而類(lèi)富里酸熒光峰的略微上升，可能是少部分類(lèi)蛋白物質(zhì)向著(zhù)類(lèi)富里酸物質(zhì)轉化.洱海沉積物DOM也有類(lèi)似規律，其沉積物在培養17 d后，部分類(lèi)蛋白熒光峰向類(lèi)富里酸物質(zhì)遷移轉化.有部分類(lèi)蛋白物質(zhì)向類(lèi)富里酸物質(zhì)(C、A峰)轉化，大量類(lèi)蛋白物質(zhì)(T2、B1、B2峰)降解并消失，這一部分類(lèi)蛋白物質(zhì)在湖泊沉積物-水體界面中，很有可能在微生物作用下向上覆水體釋放，造成上覆水體類(lèi)蛋白物質(zhì)增多，最終使得太湖各個(gè)湖區水體DOM主要以類(lèi)蛋白物質(zhì)為主.

　　4 結論

　　1)太湖水體、藻類(lèi)、水生植物和沉積物DOM出現8種熒光組分，主要為類(lèi)腐殖質(zhì)、類(lèi)富里酸和類(lèi)蛋白物質(zhì)(包括類(lèi)色氨酸和類(lèi)酪氨酸)，其中太湖水體主要以類(lèi)色氨酸物質(zhì)為主，且熒光強度南部沿岸>北部湖區(竺山灣、梅梁灣、貢湖灣)>其他湖區，這與太湖南部沿岸和北部湖區大量工業(yè)廢水和城市生活污水密集排放有關(guān)，其中竺山灣DOM兼具陸源與生物來(lái)源(藻類(lèi)死亡腐爛分解)的雙重特性.

　　2)太湖藻類(lèi)DOM組成豐富，自然降解過(guò)程中，大量類(lèi)蛋白物質(zhì)和部分易降解的類(lèi)富里酸物質(zhì)向水體中釋放，易造成水體及湖泊生態(tài)系統的污染，為藻類(lèi)循環(huán)往復爆發(fā)提供充足的物質(zhì)基礎，而水生植物腐爛分解后DOM釋放量相對藻類(lèi)較小，其逐漸轉化為更為穩定的類(lèi)腐殖質(zhì).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3)除了藻類(lèi)和水生植物腐解后對水體內源污染有貢獻以外，沉積物釋放也會(huì )影響水體DOM組成結構和分布規律，隨著(zhù)沉積物降解時(shí)間的增長(cháng)，大量類(lèi)蛋白物質(zhì)向上覆水體中釋放，部分類(lèi)蛋白物質(zhì)向類(lèi)富里酸物質(zhì)轉化.因此，太湖水體-藻類(lèi)-水生植物-沉積物在微生物以及各種酶的作用下各內源組分相互遷移轉化，共同構成了復雜且有機的湖泊生態(tài)系統.