應用固體表面三維熒光技術研究湖泊底泥有機質組成與結構特征

韓 秀， 宋永會*， 張廣彩， 言宗騁， 靳方園， 于會彬

1. 遼寧大學環(huán)境學院， 遼寧 沈陽 110036 2. 中國環(huán)境科學研究院流域水環(huán)境污染綜合治理研究中心， 北京 100012

引 言

熒光由單個分子或結構中的共軛剛性系統(tǒng)發(fā)出， 當物質從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)時， 熒光仍然存在[1]。 目前， 三維熒光光譜技術已廣泛應用于湖泊底泥溶解性有機質(dissolved organic matter, DOM)及腐殖酸的研究， 但DOM與腐殖酸不能代表底泥的全部有機質， 因此該方法存在一定局限性[2-3]。 近年來， 國際上出現(xiàn)了直接用固體熒光技術研究有機質的方法， Albrecht[4]等通過固相熒光光譜識別了堆肥樣品的不同成熟階段； Pan[5]等通過河套灌區(qū)不同類型土壤的固體表面三維熒光光譜， 揭示了土壤有機質的空間分布。 在國內(nèi)， 直接利用固體表面三維熒光技術對湖泊底泥有機質的研究尚未見報道。

烏梁素海作為我國最大的農(nóng)田退水湖泊， 是河套灌區(qū)灌排水系的重要組成部分。 近年來， 由于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展， 工業(yè)廢水、 生活污水隨農(nóng)田退水排入烏梁素海， 導致湖區(qū)內(nèi)源污染嚴重。 本研究利用固體表面三維熒光技術， 結合平行因子(parallel factor analysis, PARAFAC)與數(shù)理統(tǒng)計方法， 研究烏梁素海底泥有機質組成與結構特征， 提取熒光組分， 識別關鍵因子， 揭示有機組分空間分布規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

2018年9月， 根據(jù)烏梁素海污染源分布及水動力特征， 采集10個表層底泥樣品(圖1)。 湖區(qū)北部為人工葦田， 未設置采樣點。 1#位于東北部明水區(qū)， 2#位于總排與八排入湖口附近， 1#和2#位于湖區(qū)北部， 污染較嚴重。 3#位于東北部明水區(qū)末端， 4#和5#位于湖心區(qū)， 6#位于九排干入湖口北部， 3#—6#位于湖區(qū)中部， 污染較輕。 7#—10#為九排干入湖口南部均勻分布， 該區(qū)域生長大量蘆葦和水草。 將每個樣品混合均勻， 凍干研磨， 過200目篩后避光低溫保存。

圖1 烏梁素海采樣點分布

1.2 三維熒光光譜檢測與PARAFAC分析

分別測定底泥樣品去除有機質前后的固體表面三維熒光光譜， 二者之差即為有機質的固體表面三維熒光光譜。 有機質的去除方法是將研磨后的樣品放入馬弗爐中加熱4 h， 溫度為700 ℃。

使用日立熒光分光光度計F-9000掃描三維熒光光譜， 將樣品放入固體進樣器中。 固體進樣器為直徑1.2 cm、 厚2 mm的片狀金屬柱體。 光源為150 W氙燈， 光電倍增電壓為700 V， 激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度為約5 nm， 響應時間0.5 s， 激發(fā)波長掃描范圍為255～450 nm， 發(fā)射波長掃描范圍為260～550 nm， 掃描間隔為10 nm。

使用MatlabR2017b軟件對光譜數(shù)據(jù)消除散射， 用PARAFAC模型模擬， 提取熒光組分。 所得到的熒光組分通過了半劈開驗證和殘差驗證。 各組分的豐度以最大熒光強度Fmax(a.u.)表示。

1.3 數(shù)理統(tǒng)計分析

聚類分析(hierarchical cluster analysis, HCA)可以通過樣本之間的相似性做出分類決策， 是一種無監(jiān)督的分類程序。 對熒光組分聚類， 探究不同熒光組分間的內(nèi)在聯(lián)系； 對不同采樣點聚類， 揭示烏梁素海底泥的空間相似性和差異性。

分類回歸樹(classification and regression tree, CART)是一種基于統(tǒng)計理論的非參數(shù)識別技術， 具有強大的統(tǒng)計解析功能。 按HCA結果將采樣點分組， 生成最大的樹后修剪掉不具一般代表性的葉結點和分枝， 選出分類錯誤最小的子樹作為最優(yōu)分類模型。

在SPSS22.0軟件中采用組間連接算法對熒光組分聚類， 采用最遠鄰元素算法對采樣點聚類， 采用CRT算法生成CART模型。

2 結果與討論

2.1 固體表面三維熒光光譜特征

原樣品和加熱后樣品的固體表面三維熒光光譜相似， 沒有出現(xiàn)明顯的熒光峰[圖2(a)和(b)]， 而有機質的固體表面三維熒光光譜中出現(xiàn)了明顯的熒光峰[圖2(c)]。

圖2 樣品未處理(a)和加熱處理后(b)的固體表面三維熒光光譜，

Fig.2 Solid surface excitation-emission matrix (EEM) fluorescence spectra of the untreated (a) and thermally treated (b) sample, and the solid surface EEM fluorescence spectrum of organic matter obtained by the difference between the former and latter (c)

所有底泥有機質的固體表面三維熒光光譜通過激發(fā)/發(fā)射(nm)波長對與特異性熒光強度表征(圖3)。 在光譜圖中， 明顯出現(xiàn)了5個熒光峰。 參考以往文獻， T峰為類色氨酸熒光峰(Ex/Em=275～280/355～365 nm)[6]， A峰為紫外區(qū)類富里酸熒光峰(Ex/Em=240～260/370～428 nm)[7]， C峰為可見區(qū)類富里酸熒光峰(Ex/Em=335～365/435～480 nm)[8]， F峰為可見區(qū)胡敏酸熒光峰(Ex/Em=380/480 nm)， H峰為紫外區(qū)胡敏酸熒光峰(Ex/Em=270/480 nm)[9]。

2.2 PARAFAC分析

利用Matlab軟件包的DOMflour工具箱對10個樣品的光譜數(shù)據(jù)集進行PARAFAC建模， 提取4個熒光組分(圖4)。

熒光組分的激發(fā)/發(fā)射波長對及熒光類型如表1所示。 C1為類色氨酸物質， 是一種由微生物代謝產(chǎn)生的內(nèi)源類蛋白物質。 C1沿發(fā)射波長紅移， 與底泥樣品的pH較高有關[13]。 C2為類富里酸物質， C2沿發(fā)射波長紅移， 與底泥高芳香化程度有關， 間接表明底泥的高腐殖程度。 C3為可見區(qū)類胡敏酸， C4為紫外區(qū)類胡敏酸。 C2—C4為典型的陸源腐殖質， 主要來自生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水等外源輸入[14-15]。

圖3 不同采樣點(1#—10#)底泥有機質的固體表面三維熒光光譜

圖4 PARAFAC提取出的4個熒光組分

表1 PARAFAC提取出的熒光組分特征

2.3 熒光組分特征分析

熒光物質總含量及各組分含量空間分布差異很大[圖5(a)]。 總Fmax最高值位于北部， 為2#(918.4)和1#(780.64)， 表明北部底泥熒光物質含量最高； 其次為南部7#—10#， 平均含量為424.25；Fmax最低的為中部， 平均含量為256.47， 底泥中熒光物質含量最少。 湖區(qū)底泥中熒光物質含量的空間分布規(guī)律為北部>南部>中部。

C1含量最高的為南部， 平均含量為135.91， 北部與中部平均含量分別為92.15與61.62， C1含量的分布為南部>北部>中部。 湖區(qū)南部分布著大量水草與蘆葦， 這表明C1的產(chǎn)生可能與水生植物的生長代謝有關。 C2平均含量北部與南部較高， 分別為192.98與149.28， 中部較低為102.85， 呈現(xiàn)北部>南部>中部的分布特征。 C3在北部平均含量很高， 為334.33， 其他地區(qū)含量極少， 為19.68， 北部約為其他地區(qū)含量的16.99倍， 表明C3是北部底泥有機質的代表物質。 C4北部與南部平均含量分別為210.49與147.37， 中部含量較低， 為107.81， 分異規(guī)律為北部>南部>中部， 與C2的空間分布趨勢相同。

圖5 各熒光組分最大熒光強度(a)與相對含量(b)

此外， 不同區(qū)域各熒光組分相對含量(各組分Fmax占該樣品總Fmax的百分比， %)也具有明顯差異[圖5(b)]。 C1相對含量大致上由北向南逐漸增大， 依次為北部12.23%， 中部24.77%， 南部32.01%。 C2相對含量在北部較小， 平均相對含量為23.31%， 在其他地區(qū)相對含量較大且空間變化較小， 為33.55%～45.83%。 組分C3在北部相對含量很高， 為36.62%， 在其他區(qū)域含量極低， 為0～8.68%。 C4在各點相對含量變化較小， 為25.1%～31.52%。 內(nèi)源類蛋白物質C1在全湖相對含量為10.84%～32.35%， 陸源腐殖質C2～C4在全湖的相對含量為67.47%～89.15%， 高于內(nèi)源類蛋白物質， 這表明烏梁素海底泥有機質中的熒光物質主要來源為陸源。

2.4 HCA分析

在相對距離<5時， 將熒光組分分成3個具有統(tǒng)計學意義的組[圖6(a)]。 第一組為C2與C4， 二者均為陸源腐殖質且空間分布大致相同， 可能具有相同的來源。 第二組為C1， 屬于內(nèi)源類蛋白物質， 表征了底泥的內(nèi)源性。 第三組為C3， 其含量主要集中在湖區(qū)北部， 體現(xiàn)了北部底泥的有機質特性。 C3與其他組分相對距離最大， C1在相對距離<5時與其他組分不同， 因此C3和C1是區(qū)分湖區(qū)底泥有機質特征的關鍵指標。

在相對距離<4時將采樣點分成3類[圖6(b)]。 A組為南部7#—10#， 該組底泥中總熒光物質及C2和C4含量低于北部， 高于中部， C1含量高于其他地區(qū)， C3含量極少， 屬于中度污染區(qū)域。 B組為中部3#—6#， 該組底泥中各熒光組分含量均較少， 屬于輕度污染區(qū)域。 C組為湖區(qū)北部1#與2#， 該組底泥中總熒光物質及陸源腐殖質C2—C4含量均高于其他地區(qū)， C1含量相對較低， 屬于重度污染區(qū)域。

圖6 熒光組分(a)與采樣點(b) HCA樹狀圖

總排干、 八排干在湖區(qū)西北部入湖， 攜帶的有機質在入湖口附近大量沉積。 受蘆葦、 菖蒲等大型挺水植物阻礙， 部分污水向東分流， 直接匯入東北端明水區(qū)， 加之南側挺水植物的圍欄阻礙， 水動力條件弱， 利于有機質沉積， 致使北部底泥污染最為嚴重。 隨著水體向南流動， 有機質不斷沉降， 加之中部水動力條件較好， 有機質沉積較困難， 因此中部底泥污染程度最輕。 九排干在南部入湖， 加大了水體有機質含量， 同時南部生長有較多水生植物， 一方面利于湖水中有機質的沉降， 一方面植物自身代謝產(chǎn)生了較多類色氨酸等內(nèi)源性有機質。

2.5 CART分析

將底泥按HCA結果分為A， B和C三組， 以4個熒光組分含量為自變量， 以分類結果為因變量， 對采樣點生成CART模型(圖7)， 分類錯誤為0。

圖7 不同區(qū)域底泥有機質CART模型

根據(jù)C3含量， 可先將C組北部底泥與其他地區(qū)底泥分開， C3>137.8的樣本全部位于北部， C3≤137.8的樣本全部位于其他區(qū)域， C3是識別北部底泥的關鍵指標。 利用C1含量， 可區(qū)分A組中部與B組南部底泥， C1≤98.295的樣本全部位于南部， C1>98.295的樣本全部位于中部。

CART模型進一步驗證了C3和C1是識別烏梁素海底泥有機質特征的關鍵因子， 清晰地闡明了C3與C1含量對底泥特性的影響作用， 并使湖區(qū)底泥的分類結果更為精確。 同時， 利用現(xiàn)已生成的CART模型， 根據(jù)固體表面三維熒光光譜中的C1和C3含量， 即可快速辨別烏梁素海底泥的污染類型與污染程度， 為進一步探究烏梁素海污染特征及污染來源提供了技術支撐。

3 結 論

固體表面三維熒光技術結合PARAFAC， HCA與CART模型是提取湖泊底泥有機質熒光組分、 探究特征影響因子、 揭示有機組分空間分布規(guī)律的有效方法。 烏梁素海底泥有機質中存在一個類色氨酸組分、 一個類富里酸組分與兩個類腐殖酸組分。 紫外區(qū)類腐殖酸物質與類富里酸物質可能同源， 可見區(qū)類腐殖酸物質與類色氨酸物質是識別有機質特性的關鍵因子。 烏梁素海底泥有機質的主要來源為陸源。

根據(jù)有機質組成與結構特征， 可將底泥分為北部重度污染區(qū)、 南部中度污染區(qū)與中部輕度污染區(qū)3個區(qū)域。 以可見區(qū)類腐殖酸物質與類色氨酸物質含量作為判別因子， 可以簡捷地將底泥分類， 這為烏梁素海污染治理提供了參考。