黑藻葉、莖腐解釋放溶解性有機物的特性

姚 佳,楊 飛,張毅敏*,朱月明,高月香,尹 杰,杜 聰,巴翠翠,李定龍

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黑藻葉、莖腐解釋放溶解性有機物的特性

姚 佳1,2,楊 飛2,張毅敏2*,朱月明2,高月香2,尹 杰1,2,杜 聰1,2,巴翠翠1,2,李定龍1

(1.常州大學環(huán)境與安全工程學院,江蘇常州 213164；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042)

通過三維熒光光譜(3DEEM)和紫外吸收光譜(UV-vis)技術結合平行因子分析法(PARAFAC),研究了沉水植物黑藻死亡過程中葉、莖腐解釋放DOM的特性,進一步揭示草型湖泊中水生植物腐解對水體的影響機制.結果表明,黑藻葉比莖腐解地更快,釋放出更多的TN、TP,烘干處理減緩了葉和莖中TN的釋放(<0.05),對TP的釋放無明顯影響(>0.05).采用平行因子分析法鑒別出葉中含有1種類蛋白質組分C1和2種類腐殖酸組分C2、C3,莖中含有2種類蛋白質C1、C3及2種類腐殖酸組分C2、C4.腐解前期(0~40d)DOM中類蛋白物質占主導地位,且葉與莖中類蛋白質含量比值約為1:1.5,此時水中DO偏低,DOC和NH3-N含量升高,腐解中期(40~60d)類蛋白和類腐殖酸組分共同作用,腐解后期(60~90d)以類腐殖質為主,且葉與莖中類腐殖質含量比值約為1:1,此時電導率、TN和PO4-P含量明顯升高,腐解釋放DOM可能影響水體的DO和pH值.

三維熒光光譜；平行因子分析；沉水植物腐解；溶解性有機物

水生植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產(chǎn)者,由于其根、莖、葉等組織可以直接從水體或底泥中吸收營養(yǎng)鹽,因此常被用來修復受污染水體[1-2].但在一些湖泊中,由于食物鏈失衡,外源性營養(yǎng)鹽不斷輸入累積,再加上缺乏有效的管理,水生植物過量生長,植物殘體不斷淤積于湖底,導致湖泊迅速沼澤化[3-4].植物殘體腐解不僅釋放出N、P等,加劇湖泊內源性污染,而且會導致水質發(fā)黃惡化,如東太湖茭草腐解引發(fā)的“茭黃水”現(xiàn)象[5].溶解性有機物(, DOM)是有機質中最為活躍的組分,其結構和化學組成非常復雜,能影響水體中污染物的遷移和轉化,加深水體污染程度[6].研究表明,在草型湖泊中水生植物腐解是內源DOM的最主要來源[7-8].

水生植物腐解是一個復雜的過程,既受外界環(huán)境因素如溫度、光照、營養(yǎng)物質含量等影響[9-11],又受自身質量、組織結構和纖維含量的影響[12-13].Gessner[14]研究發(fā)現(xiàn)植物組織成分不同其分解速率、養(yǎng)分動態(tài)也可能不同.目前,關于水生植物各組織腐解釋放DOM的研究較少,因此,本文選取典型沉水植物黑藻的葉、莖為研究對象,利用紫外光譜技術和熒光光譜技術分析其腐解釋放DOM的特性差異,從而深入了解水生植物不同組織腐解對湖泊的元素循環(huán)和營養(yǎng)平衡的影響,為湖泊沼澤化的進一步研究和治理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

黑藻采集于安徽省淮南市焦崗湖,該湖泊為草型湖泊.于植物的生長季(2016年5月),從焦崗湖采集植物的單優(yōu)群落,保證植物的完好,低溫(￡4℃)保存迅速送至實驗室.植物樣品用自來水沖洗,以去除附著在植物表面的雜質,再以蒸餾水漂洗干凈,用紙巾吸去表面的水.

1.2 測試與分析方法

采用納氏試劑光度法測定NH4+-N,堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN、TP,紫外分光光度法測定NO3--N,鉬酸銨分光光度法測定PO43--P,溶解性有機碳DOC的含量采用島津TOC分析儀測定.

采用島津UV2700紫外可見分光光度計對紫外吸收光譜進行測定,波長范圍為200~800nm,掃描波長間隔1nm,并計算紫外參數(shù)SUVA254、2/3、253/203、226-400的值.SUVA254值以DOM樣品在紫外254nm的吸光度值乘以100除以DOC的比值表示,2/3等于吸光度在250nm與365nm處的比值,253/203指吸光度在253nm與203nm處的比值,226-400等于波長226~400nm之間的積分區(qū)域面積.

使用熒光分光光度計(CaryEclipse,美國安捷倫)測定樣品的熒光光譜,首先稀釋樣品使得其在波長254nm處吸光度小于0.1[15].激發(fā)光源為150w疝弧燈,PMT電壓為700V,信噪比>110,響應時間為0.05s,帶通x=5nm、m=2nm,掃描速度為2400nm/min,掃描光譜進行儀器自動校正.激發(fā)波長x的掃描范圍為200~450nm,發(fā)射波長Em的掃描范圍250~550nm.

1.3 數(shù)據(jù)分析

樣品進行熒光光譜掃描時,以純水作空白,將數(shù)據(jù)導出到Excel,扣除空白、拉曼散射和瑞利散射后,使用帶有DOMFlour工具包的matlab 7.8軟件進行平行因子分析.采用SPSS 20.0和Origin 8.1處理分析圖形.

2 結果與分析

2.1 黑藻葉莖腐解釋放DOM的紫外吸收光譜

SUVA254(Specific Ultraviolet Absorbance 254nm)可以反映DOM的腐殖化程度[16-18].由圖1可以看出,各處理組隨時間變化SUVA254的值均逐漸增大,這表明隨著腐解的進行,容易分解的物質被逐步消耗而使富含芳香環(huán)結構的腐殖質所占比例逐步升高,導致DOM的腐殖化程度增強,各處理組的芳香化強弱順序為葉>葉(烘干)>莖>莖(烘干),烘干處理使葉莖腐解變慢(<0.05).

2/3常用來區(qū)分不同來源的DOM特性[19].當2/3值小于3.5時,主要反映DOM中胡敏酸的吸收特性,當2/3值大于3.5時,主要反映DOM中富里酸的吸收特性.由圖2可見,除空白處理組的2/3值小于3.5,DOM中以胡敏酸為主外,其余各處理組的2/3值均大于3.5,表明黑藻葉、莖腐解DOM中均以富里酸為主[20].

圖1 不同處理組SUVA254值隨腐解時間的變化趨勢

圖2 不同處理組E2/E3值隨腐解時間的變化趨勢

253/203是反映芳香環(huán)上取代基的種類及取代程度高低的指標[21],它與腐解時間存在著正相關性(<0.05),由圖3可以看出,與空白組相比,其余各處理組的253/203值均隨腐解時間增加而增大,表明DOM中芳香環(huán)上的取代基轉變?yōu)檩^復雜的羧基、羥基、酯類等,烘干處理對253/203值無明顯影響(>0.05).

圖3 不同處理組A253/203值隨腐解時間的變化趨勢

圖4 不同處理組A226-400值隨腐解時間的變化趨勢

226-400可以反映有機質的吸收光譜特性,由圖4可見,葉、莖腐解時間越長,釋放的DOM中226-400值越大,DOM分子中苯環(huán)結構所占比例越高,葉和莖相比,其DOM中具有更多的苯環(huán)結構化合物,表明葉中大分子物質已腐解殆盡,烘干處理對226-400值無明顯影響(>0.05).

2.2 黑藻葉莖腐解釋放DOM的熒光光譜

采用平行因子分析法對黑藻葉莖腐解的DOM樣品進行測定,葉腐解分離出3種熒光組分(圖5),分別是以類色氨酸為主的類蛋白質組分C1(225nm、280nm/340nm)及以類富里酸為主的類腐殖酸組分C2(245nm、310nm/420nm)、C3(260nm、355nm/470nm),莖腐解分離得到4種熒光組分(圖5),分別是以類色氨酸為主的類蛋白質C1(225nm、275nm/340nm)、C3(200nm、270nm/300nm)及以類富里酸為主的類腐殖酸組分C2(245nm、320nm/410nm)、C4(260nm、355nm/475nm)(表1),黑藻葉和莖腐解分離得到的熒光物質主要為類蛋白質和類腐殖質.類蛋白質包括類色氨酸和類酪氨酸物質,本實驗中得到的類蛋白熒光峰反映的是生物降解來源的類色氨酸物質,代表與微生物降解產(chǎn)生的芳香性蛋白類結構有關的熒光基團[22-23],而類腐殖酸、類富里酸代表較難降解的DOM,這與腐殖質中的羥基和羧基有關[24-25].

表1 DOM的主要熒光物質及其相應位置

利用平行因子分析法分析黑藻葉、莖腐解DOM熒光矩陣所得的得分值max進行制圖,max表示各類熒光峰的熒光強度或各樣品中各組分的含量.由圖6可以看出,隨著腐解的進行,4個處理組的max值整體均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,葉、葉(烘干)處理組在9之前的各樣品中組分C1含量較大,9之后的樣品中組分C2比重增大,莖、莖(烘干)處理組在10之前的各樣品中組分C1含量普遍較大,10之后的樣品中組分C2含量普遍增大.烘干處理對葉莖所含組分的含量無明顯影響(>0.05).4個處理組在腐解前期(0~40d)均為類蛋白組分在DOM樣品中占據(jù)主導地位,腐解后期(40~60d)類腐殖酸物質占主導地位[36].

通過各熒光組分與腐解時間的多項式擬合(圖7),可以看出各處理組中各個熒光組分在腐解過程中的生成情況.葉和葉(烘干)腐解過程中,類蛋白組分(C1)和類腐殖酸組分(C2、C3)的生成情況相似,且葉中各組分腐解釋放速率快于葉(烘干).葉中C1組分在腐解第16d含量最多,C2、C3組分含量從腐解開始時逐漸增大,分別在第53d和第60d達到最大值.葉(烘干)中C1組分含量從腐解進行后持續(xù)降低,C2、C3組分含量分別在腐解第67d和83d達到最大值.莖腐解過程中各組分的釋放趨勢與莖(烘干)相似,在腐解第0~31d內組分C1、C3含量逐漸升高,之后持續(xù)降低,組分C2和C4含量從腐解開始后持續(xù)升高,分別在第58d和63d達到最大值.莖(烘干)腐解時C1、C3組分含量逐漸降低,C2、C4組分含量逐漸升高.結果表明,在植物腐解前40d內,類蛋白質含量占主導地位,且葉與莖中類蛋白質含量比值約為1:1.5,腐解第40~60d內,類蛋白和類腐殖酸組分共同作用,腐解第60~90d內以類腐殖質含量為主,且葉與莖中類腐殖質含量比值約為1:1.

圖6 不同處理組各熒光組分的Fmax值分布

圖7 各熒光組分與腐解時間的多項式擬合

2.3 黑藻葉莖腐解釋放DOM對水體的影響

研究表明,溶解性有機碳DOC的濃度近似等于DOM濃度[37],黑藻葉、莖腐解過程中DOC濃度變化如圖8所示.結果表明,空白處理組的DOC濃度隨著腐解時間增長而逐漸降低,其余處理組的DOC濃度先升高后逐漸降低,且莖中DOC釋放量高于葉,葉(烘干)、莖(烘干)處理組DOC釋放量較少,表明烘干處理影響了DOC的釋放(<0.05).由于植物腐解先釋放出溶解性物質和苯醇溶出物,導致水體的DOC含量升高,隨后水體中的微生物分解有機碳,導致DOC濃度下降[38].

植物腐解過程中會釋放出氮磷等營養(yǎng)鹽,由圖8可知,各處理組TN、TP隨腐解時間變化的情況.空白處理組的TN濃度基本無變化,葉和莖的TN、TP濃度均先增大后減小,葉在第30d TN釋放量最大,莖在第36d TN釋放量達到最大值,葉在第15d TP釋放量最大,莖在第24d TP釋放量達到最大值,且葉釋放的TN、TP量高于莖.從這些結果可以看出,黑藻葉中的TN釋放速率比莖快,葉中的TN、TP釋放高于莖,烘干處理減緩了葉和莖中TN的釋放(<0.05),對TP的釋放無明顯影響(>0.05).

2.4 黑藻葉莖腐解各指標間相關性分析

通過對葉、莖腐解所得的熒光組分進行相關性研究(表2),發(fā)現(xiàn)葉中的類蛋白組分(C1)與莖中類蛋白組分(C1、C3)達極顯著相關(<0.01),葉中的類腐殖酸組分(C2、C3)與莖中類腐殖酸組分(C2、C4)呈極顯著相關(<0.01),表明黑藻的葉與莖中的類蛋白組分和類腐殖酸組分均具有相同的來源和組分特征.

表2 葉和莖的熒光組分之間的相關性分析

注:“**”代表<0.01,“*”代表<0.05.

類腐殖酸組分C2、C3與電導率、TN、PO43--P呈極顯著相關(<0.01),表明腐解后期類腐殖質占主導地位,TN、PO43--P含量升高,植物體內礦物質和導電物質釋放的越多.類蛋白組分C1與DO呈極顯著負相關(<0.01),而與NH3-N、DOC呈顯著相關(<0.05),表明腐解前期以類蛋白質為主時,水體的DO降低,而NH3-N、DOC含量升高.

表3 不同指標之間的相關性分析

注:“**”代表<0.01,“*”代表<0.05.

3 結論

3.1 SUVA254、E2/E3、A253/203、A226-400等紫外參數(shù)表明,隨著腐解的進行,DOM的芳香化程度和腐殖化程度越來越高,強弱順序為葉 > 葉(烘干)> 莖 > 莖(烘干).

3.2 采用平行因子分析法得到黑藻葉中含有1種類蛋白質組分C1和2種類腐殖酸組分C2、C3,莖中含有2種類蛋白質C1、C3及2種類腐殖酸組分C2、C4.通過各組分的Fmax值結合線性擬合結果發(fā)現(xiàn),腐解前期(0~40d)DOM中類蛋白物質占主導地位,且葉與莖中類蛋白質含量比值約為1:1.5,此時水中DO偏低,DOC和NH3-N含量升高,腐解中期(40~60d)類蛋白和類腐殖酸組分共同作用,腐解后期(60~90d)以類腐殖質為主,且葉與莖中類腐殖質含量比值約為1:1,此時電導率、TN和PO4-P含量明顯升高.

3.3 黑藻莖中DOC釋放量高于葉,烘干處理抑制了葉莖中DOC的釋放,葉中的TN釋放速率比莖快,葉中的TN、TP釋放量高于莖,烘干處理減緩了葉和莖中TN的釋放,對TP的釋放無明顯影響.

3.4 沉水植物腐解過程中釋放的DOM主要包括類腐殖質和類蛋白質,這兩種物質都可能影響水體的DO和pH值.

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Research on the dissolved organic matter of’s leaf and stem decomposition.

YAO Jia1,2, YANG Fei2, ZHANG Yi-min2*, ZHU Yue-ming2, GAO Yue-xiang2, YIN Jie1,2, DU Cong1,2, BA Cui-cui1,2, LI Ding-long1

(1.School of Environmental and Safety Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China；2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)., 2017,37(11)：4294~4303

The characteristics of DOM in the decomposed process of’s leaf and stem were studied by the combination of three-demensional fluorescence spectrum (3DEEM) and ultraviolet-visible (UV-vis) with parallel analysis (PARAFAC). And the effect mechanism of aquatic plants decomposition on the water was further revealed. The results showed that the leaf decomposed quicker than the stem and released more TN and TP. Drying treatment of stem and leaf slowed the release of their TN (<0.05) while it had no obvious influence on the TP (>0.05). One protein-like component C1and two components (C2 and C3) in the leaf, two protein-like components (C1 and C3) and two humic-like components (C2 and C4) in the stem were identified by PARAFAC. In the beginning of decomposition (0~40d), the protein-like substances were dominant and the ratio of it in leaf and stem was 1:1.5, and the content of DO in water was low, but the concentration of DOC and NH3-N rised. During 40~60d, both components were present. At the end of decomposition (60~90d), the humic-like acids had a high proportion, the ratio of content in leaf and stem was 1:1, and the value of CDC, TN and PO4-P increased, DOM in the decomposed process of submerged plants may affect the value of DO and pH in water.

three-demensional fluorescence spectrum；parallel analysis；submerged macrophyte decomposition；dissolved organic matter

X131.2

A

1000-6923(2017)11-4294-10

姚 佳(1994-),女,江蘇揚中人,常州大學碩士研究生,主要研究方向為水體污染與生態(tài)修復.

2017-05-08

國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-007);江蘇省環(huán)保科研課題(2016034);江蘇省太湖水環(huán)境綜合治理科研課題(TH2016402);武南區(qū)域河湖水系綜合調控與生態(tài)恢復技術集成與示范(2017ZX07202006)

*責任作者, 研究員, zym7127@163.com