基于三維熒光光譜結合平行因子法的蘑菇湖上覆水溶解性有機質特征分析

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

溶解性有機質（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，相對分子質量為幾百到幾萬道爾頓之間［5］。DOM在水生物化學過程中起到至關重要的作用，是重金屬、營養(yǎng)鹽和多環(huán)芳烴等物質遷移轉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，國內外對于DOM的研究主要集中于其來源、分布、組成結構特征、遷移轉化規(guī)律和生物毒性等方面［7-8］。研究所采用技術主要為紫外-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）等技術的單獨或集成應用，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、化學鍵和分子空間構型的主要表征技術［13］。李帥東等［7］采用UV-Vis和3DEEM技術對環(huán)滇池地區(qū)土壤中DOM結構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為主。

DOM由于其自身復雜性和多樣性，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技術結合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、特征結構變化和遷移，為蘑菇湖TN、TP、重金屬和有毒有害物質長期控制、環(huán)境變化預測以及環(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，年調節(jié)水量為1.94億m3，控制灌溉面積為800 km2。流域屬于典型大陸性干旱氣候區(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。蘑菇湖主要接納農田退水和瑪納斯河洪水，起到納污、分流洪水和灌溉下游農田的作用。

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，以降低內部濾波器效應［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用于三維及多維數(shù)據(jù)解析的數(shù)學方法［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 采樣點基本水質參數(shù)Table 1 Water quality parameters at sampling points

2 結果與討論

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FI值＞1.9時，表示DOM主要來自于由微生物分解的內源性代謝產(chǎn)物；當FI＜1.4時，表示DOM主要為經(jīng)徑流進入水體的陸源有機質［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BIX值＞0.8時，表示自生源明顯；當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分子結構特征及組成應與采樣時間和來水有關。蘑菇湖來水主要為城市生活污水和農業(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，致使有機質腐殖化進程受到抑制。這與張春華等［2］研究結果相似，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)有機質向無機物的轉化。

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量較大、相對穩(wěn)定的有機物質產(chǎn)生；C峰主要由相對分子質量較小、高熒光效率的有機物質產(chǎn)生，易被氧化降解，但兩者都可能與DOM中羰基和羥基有關，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，對應傳統(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結合，也易與在同一蛋白質中結合的酪氨酸發(fā)生能量轉移，對熒光峰具有復雜影響［8］。一些如腐殖質中多酚化合物——木質素和沒食子酸等非蛋白熒光物質，也具有相似熒光峰，這可能與其含有苯酚或苯胺結構有關［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熒光，通常來自廢水和農業(yè)，結構復雜且穩(wěn)定，不易被微生物利用或光降解［20］，對應傳統(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的主要物質。陸源或海洋類腐殖質相對分子質量大，分子結構復雜，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結構密切相關，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［3］。較高的熒光強度可能與DOM含有簡單、相對分子質量小的組分積累有關，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含有相對分子質量大的羧基、羰基等吸電子基團的組分積累有關［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，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，組分C2為類蛋白中的類色氨酸物質，組分C3為陸源或海洋類腐殖酸物質［7，26-27］。由圖3可知，類富里酸在DOM中占主導地位，其次為類色氨酸，類腐殖酸所占比例最小。3種物質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）之間存在一定相關性，相關性越高，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，富里酸與FI的擬合結果（相關系數(shù)r=0.89，P＜0.01）最好，富里酸與FI間呈顯著正相關。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量小，且腐殖化、芳香性、分子縮合度較低的類富里酸物質。

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

3 討論與結論

光譜指數(shù)分析結果表明，蘑菇湖上覆水DOM來源為以自生源為主的微生物內源性代謝產(chǎn)物（短期微生物分解藻類和動植物殘體或分泌的有機質），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，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，組分C2為類蛋白中的類色氨酸物質，組分C3為陸源或海洋類腐殖酸物質。

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。其中，富里酸與FI之間存在顯著正相關（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，相對分子質量小，芳香性、腐殖化且分子縮合度較低的類富里酸物質為主，色氨酸含量次之，腐殖酸含量最低。

DOM的分子結構特征、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化，在地球化學循環(huán)中占據(jù)重要位置，采用3DEEM結合PARAFAC法研究水體中DOM結構特征及腐殖化程度，有助于為湖泊污染治理及修復提供科學依據(jù)。