白水江表層沉積物溶解性有機質(zhì)熒光特性研究*

黃俊霖 蘇 婧 孫源媛 鄭明霞 林 兵

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012；2.深圳中環(huán)博宏環(huán)境技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000)

溶解性有機質(zhì)(DOM)廣泛存在于地表水、土壤、沉積物等自然環(huán)境中，是影響多種有機或無機污染物遷移轉(zhuǎn)化與氧化還原狀態(tài)的重要生化反應(yīng)電子供體，對生態(tài)系統(tǒng)的地球生物化學(xué)特征演化具有關(guān)鍵作用[1]。

表層沉積物是上覆水與間隙水的過渡帶與相互作用帶，上覆水有機物可在潛流交換作用下積累于表層沉積物中[2]。同時，沉積物中微生物的新陳代謝活動又可產(chǎn)生類蛋白與類腐殖質(zhì)[3]，形成復(fù)雜多樣的營養(yǎng)源體系。因此，DOM熒光物質(zhì)結(jié)構(gòu)與組分記錄著沉積環(huán)境的有機質(zhì)在自生源與人類活動交互作用下的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[4]。三維熒光光譜(EEM)技術(shù)結(jié)合熒光區(qū)域積分法(FRI)可定性、定量表征不同結(jié)構(gòu)熒光有機物的相對含量，而熒光指數(shù)(FI)法則能反映不同熒光組分的來源與轉(zhuǎn)化信息。張海威等[5]采用上述方法探討了新疆河流DOM的EEM特性，對研究環(huán)境特征與有機物空間分布的關(guān)系具有重要指示意義。

白水江流域位于云南省昭通市鹽津縣，流域兩側(cè)的廟壩鎮(zhèn)和柿子鎮(zhèn)存在農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖、生活污水及工業(yè)廢水等潛在污染風(fēng)險源，而DOM是城鄉(xiāng)發(fā)展中經(jīng)生產(chǎn)、生活排放至自然環(huán)境中普遍存在的污染物[6]，對兩鎮(zhèn)之間的白水江環(huán)境質(zhì)量造成潛在威脅。由于“十二五”期間鹽津縣經(jīng)濟快速發(fā)展導(dǎo)致白水江流域污染負荷日益嚴峻，目前缺乏有機物污染特征的相關(guān)研究。本研究應(yīng)用EEM技術(shù)、FRI和FI法對白水江表層沉積物DOM進行測試分析，驗證人類活動對江區(qū)表層沉積物DOM熒光物質(zhì)的貢獻作用，從水體基本參數(shù)、微生物活動、污水排放量等自然、人為因素探討其對DOM降解程度的影響，以期為下一步白水江流域綜合環(huán)境整治工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

白水江俗名牛街河，為橫江右岸一級支流，金沙江下段水系，發(fā)源于貴州省赫章縣毛姑村恒底花泥山，流經(jīng)鎮(zhèn)雄縣五德鎮(zhèn)、羅坎鎮(zhèn)，彝良縣洛旺鄉(xiāng)、牛街鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在柿子鎮(zhèn)高坎村花果河進入鹽津縣，經(jīng)廟壩、柿子鎮(zhèn)兩河口匯入橫江。

白水江流域?qū)俚途暥取⒏吆０蔚貐^(qū)，處于四川盆地向云貴高原過渡地帶，流域地勢東南高、西北低，河流流向與山脈延伸一致，從東南流向西北，主要支流有烏撒溪、溫沼河。白水江為山區(qū)河流，上游河床坡降陡、落差大，水能資源豐富。鹽津縣水力資源理論蘊藏量4.7×105kW。河流全長153 km，其中鹽津縣境內(nèi)長30 km，常年流量769.0 m3/s，枯水期流量12.5 m3/s。在鹽津縣境內(nèi)接納烏撒溪、流三江、紅石溪、熊溪溝等7條小河至柿子鎮(zhèn)兩河口，注入關(guān)河。

2018年3月，在云南省昭通市鹽津縣內(nèi)，沿著白水江上游至下游，采用活塞式柱狀沉積物采樣器采集江岸淺灘區(qū)垂直深度0～20 cm的沉積物。樣品數(shù)量共16組，保存于聚乙烯塑料袋內(nèi)，低溫運輸至實驗室。利用便攜式多參數(shù)水質(zhì)儀(DR900，美國)對沉積物采樣斷面的水溫、DO、pH進行現(xiàn)場測定。其中，采樣點1～2位于上游，自然因素占主導(dǎo)作用；采樣點3～8、9～16分別位于中、下游，受到廟壩鎮(zhèn)和柿子鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)面源和部分工業(yè)污水污染，所采集樣品用以研究人類活動對江區(qū)表層沉積物有機質(zhì)空間分布特征的影響。

1.2 樣品預(yù)處理與分析測試

沉積物有機質(zhì)含量根據(jù)《土壤有機質(zhì)測定法》(GB 9834—88)中重鉻酸鉀-硫酸滴定法測定。DOM采用水土振蕩法[7]提?。簶悠方?jīng)冷凍干燥機(FD-1A-50)干燥48 h后，通過除雜、研磨、過200目篩，每克沉積物加入30 mL 1 mol/L的KCl溶液，在25 ℃、220 r/min下振蕩24 h，靜置后提取上清液于50 mL離心管中，在3 000 r/min下離心15 min，提取上清液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾。之后利用三維熒光分光光度計(F-7000，日本)完成EEM測試，實驗空白為Milli-Q超純水。掃描條件：激發(fā)波長200～450 nm，發(fā)射波長280～550 nm，掃描間距5 nm，掃描速度2 400 nm/min，激光光源為150 W氙弧燈，光電倍增管(PMT)電壓700 V，信噪比>110，響應(yīng)時間為自動。

1.3 FRI

EEM根據(jù)特定的激發(fā)/發(fā)射波長與熒光強度將相似物質(zhì)的熒光峰劃分為5個代表性區(qū)域(見表1[8-9])，用以區(qū)分和表征DOM中具有特定結(jié)構(gòu)的熒光組分。

FRI通過計算區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積來反映具有特定結(jié)構(gòu)熒光物質(zhì)的相對含量(Φi，n)[10]，計算如下：

(1)

(2)

式中：I(λEx·λEm)為激發(fā)與發(fā)射波長所對應(yīng)的相對熒光強度；λEx為激發(fā)波長，nm；λEm為發(fā)射波長，nm；Pi，n為具有特定結(jié)構(gòu)的熒光物質(zhì)占總體熒光物質(zhì)相對含量的比例，%；ΦT，n為總體熒光物質(zhì)相對含量。

表1 EEM分區(qū)與波長范圍

1.4 FI法

FI定義為370 nm激發(fā)波長下發(fā)射波長在470、520 nm處的熒光強度比值，反映了芳香與非芳香氨基酸對DOM熒光強度的相對貢獻率，作為衡量DOM來源及降解程度的指標(biāo)。FI>1.9代表DOM源于微生物活動，具有顯著的內(nèi)源產(chǎn)生特征；FI<1.4則體現(xiàn)源于陸生植物和土壤有機質(zhì)等外源輸入為主的特征[11]。

自生源指數(shù)(BIX)定義為310 nm激發(fā)波長下發(fā)射波長在380、430 nm處的熒光強度比值，是反映DOM類腐殖質(zhì)自生貢獻比例的指標(biāo)，值越高表明DOM降解程度增加，內(nèi)源碳產(chǎn)物越容易生成[12]。

新鮮度指數(shù)(β/α)定義為310 nm激發(fā)波長下發(fā)射波長為380 nm處熒光強度與420～435 nm區(qū)間最大熒光強度的比值，用于表征新產(chǎn)生的DOM在整體DOM中所占比例，其中β為新近產(chǎn)生的DOM、α為降解程度較高的DOM[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 DOM的EEM特征

白水江表層沉積物DOM的EEM中，各監(jiān)測斷面均出現(xiàn)明顯的C4熒光峰(T1)，表明淺灘區(qū)表層沉積物的微生物活動旺盛，產(chǎn)生諸如蛋白、輔酶、小分子有機酸及色素等具有特定結(jié)構(gòu)的類蛋白有機物[14]。以各監(jiān)測斷面最大熒光強度的DOM樣品(采樣點2、5、9)為例，上、中、下游T1的熒光中心位置分別位于λEx/λEm=285 nm/320 nm、280 nm/335 nm、280 nm/335 nm處(見圖1)。

從空間差異看，自上游至下游，表層沉積物DOM熒光強度逐漸增強，這可能與中、下游柿子鎮(zhèn)、廟壩鎮(zhèn)人類活動排放的外源DOM有關(guān)。相比上游，中、下游出現(xiàn)C2熒光峰(T2)和C1熒光峰(B)，表明存在含多環(huán)芳烴及其芳香性蛋白衍生物的生活污水與工業(yè)廢水等污染源輸入，從而促進表層沉積物中微生物對外源DOM的分解作用[15]。下游采樣點9還出現(xiàn)顯著的C5熒光峰(C)，熒光中心位于λEx/λEm=355 nm/430 nm處。C5因具有較大的分子量和芳香性，表現(xiàn)為與環(huán)氧七氯具有較強的親和力和結(jié)合能力，因此進入下游的農(nóng)藥殘留組分可能易在水體-沉積物體系中富集[16]。

2.2 DOM熒光組分含量

由圖2可知，白水江上游至下游，總熒光組分、各熒光組分含量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，與熒光強度特征分析結(jié)果一致。由于研究區(qū)土壤類型主要為黃壤與紫色土交錯分布，表層有機質(zhì)含量相對較高，成為DOM熒光組分重要的天然來源。上游至下游有機質(zhì)分別為10.43～10.82、11.87～18.23、12.39～20.95 mg/g，在空間上也呈現(xiàn)遞增的分布特征。Pearson相關(guān)性分析顯示，各熒光組分與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(R2為0.726 1～0.913 0，P<0.01)，表明沉積物DOM熒光物質(zhì)主要存在于有機質(zhì)中。

圖1 白水江表層沉積物DOM的EEMFig.1 EEM of DOM of surface layer sediments in Baishui River

圖2 DOM熒光組分的空間差異Fig.2 Spatial differences of fluorescent components in DOM

由于中、下游人口分布較上游密集，采樣點周邊均為依水而建的村落與城鎮(zhèn)，接納人類活動排放的生活污水與工業(yè)廢水隨著潛流交換和自然沉降進入江區(qū)表層沉積物。因此，人類活動可能是造成白水江表層沉積物DOM熒光組分存在空間分異的主導(dǎo)因素。從熒光有機物種類的空間變化趨勢來看，相比于類腐殖質(zhì)(C3、C5)，進入中、下游的類蛋白有機物(C1、C2、C4)平均含量增幅較大，尤其是C1、C2。相比上游，中、下游C1分別升高0.8、1.3倍，C2則分別升高1.5、2.3倍。

自然環(huán)境DOM的C1、C2含量增加可能與人類活動排放的污水有關(guān)。由圖3可知，中游總污水排放量為2.77×104t，其中生活污水占比高達81%。這說明，進入中游的食物殘渣、洗滌水與排泄物等生活污水組分可通過潛流交換進入表層沉積物，為微生物新陳代謝活動帶來充足的碳源。相比中游，下游表層沉積物DOM的C1、C2分別升高25%、33%。雖然下游的生活污水與垃圾滲濾液排放量較中游分別減少86%、60%，但其總污水排放量卻高達1.92×105t，是上游的6.9倍，且主要污水類型為工業(yè)廢水，占比為96%，表明下游表層沉積物DOM的C1與C2可能主要來源于工業(yè)污染。

如圖4所示，白水江各斷面表層沉積物DOM熒光組分以類蛋白有機物為主，其中C4占比為64.56%～73.06%；其次為類腐殖質(zhì)，占比約12.75%～15.95%，其中C5占比為9.91%～10.77%。受外源輸入和微生物活動的交互影響，自上游至下游，C4占比逐漸減少，其余類蛋白有機物和類腐殖質(zhì)占比均升高。來源于生活污水與工業(yè)源的C1、C2占比上升，雖有利于異養(yǎng)細菌生長繁殖，并產(chǎn)生一定量的代謝產(chǎn)物，但在微生物作用下，C1和C2降解產(chǎn)物生成的類腐殖質(zhì)前驅(qū)體可經(jīng)縮合或聚合反應(yīng)形成C5。此外，中、下游污水排放量明顯增加，而污水普遍含有腐殖酸[17]，致使其表層沉積物類腐殖質(zhì)占比較上游高。

圖3 2016年白水江流域環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)Fig.3 Environmental statistics of Baishui River Basin in 2016

圖4 DOM熒光組分的Pi，nFig.4 Pi，n of fluorescence components in DOM

2.3 熒光參數(shù)及環(huán)境指示意義

熒光參數(shù)對研究DOM熒光組分的來源與轉(zhuǎn)化具有重要的指示意義，尤其是類腐殖質(zhì)的來源特性。由圖5(a)可知，上游表層沉積物FI為1.57～2.03，說明DOM類腐殖質(zhì)主要可經(jīng)微生物代謝活動產(chǎn)生；BIX為0.57～0.59，β/α均為0.57，表明上游DOM降解程度及自生貢獻的類腐殖質(zhì)含量較低。中、下游表層沉積物FI分別為1.97～2.44、1.83～2.62，表明DOM類腐殖質(zhì)大部分來源于微生物活動；相比上游，中、下游的β/α平均值分別升至0.61、0.65，BIX平均值分別提高至0.69、0.70，說明中、下游DOM降解程度較大，并具有更多自生貢獻的類腐殖質(zhì)。

圖5 熒光參數(shù)、水體基本參數(shù)的空間變化特征Fig.5 Spatial variation characteristics of fluorescence parameters and basic parameters of water

水溫、pH與DO等基本參數(shù)可在某種程度上影響DOM降解程度。由圖5(b)可知，上、中、下游水溫分別為17.3～22.9、15.5～18.5、14.0～16.7 ℃，DO分別為6.73～9.45、4.93～7.35、4.14～8.48 mg/L，即水溫與DO在空間上總體表現(xiàn)為上游>中游>下游。雖然較高的水溫和充足的DO能使微生物保持較高的酶活性，但上游DOM降解程度顯然低于中、下游，推測可能與上游表層沉積物中微生物數(shù)量較少有關(guān)。中、下游水溫與DO處于較低水平，而DOM降解程度卻較高，說明DO與水溫對研究區(qū)表層沉積物DOM降解程度無顯著影響。此外，由于上游至下游水體pH較穩(wěn)定，因此pH也不是造成白水江沉積物DOM降解程度及自生貢獻的類腐殖質(zhì)含量產(chǎn)生空間分異的主要因素。

中、下游由人類頻繁活動排放的污水量顯著增加，導(dǎo)致表層沉積物的熒光強度逐漸增強。外加碳源輸入一方面為微生物提供能量，間接促進了其生長繁殖與代謝活動；另一方面，微生物代謝可將污水的C1和C2通過降解生成類腐殖質(zhì)前驅(qū)體，并進一步經(jīng)縮合或聚合反應(yīng)形成C5，從而導(dǎo)致中、下游自生貢獻的類腐殖質(zhì)含量普遍升高。因此，白水江表層沉積物DOM降解程度與自生貢獻的類腐殖質(zhì)含量主要受到人類活動和微生物代謝的共同影響，水溫、DO、pH等水體基本參數(shù)幾乎不干擾上述生化過程。

3 結(jié) 論

(1) 白水江表層沉積物DOM熒光組分以類蛋白有機物為主，其中C4占比為64.56%～73.06%；其次為類腐殖質(zhì)，占比約12.75%～15.95%，其中C5占比為9.91%～10.77%。

(2) 相比上游，中、下游C1分別升高0.8、1.3倍，C2則分別升高1.5、2.3倍。相比中游，下游表層沉積物DOM的C1、C2分別升高25%、33%。

(3) 中、下游表層沉積物FI分別為1.97～2.44、1.83～2.62，表明DOM類腐殖質(zhì)大部分來源于微生物活動；相比上游，中、下游的β/α平均值分別升至0.61、0.65，BIX平均值分別提高至0.69、0.70，說明中、下游DOM降解程度較大，并具有更多自生貢獻的類腐殖質(zhì)。