應(yīng)用SFS與FTIR二維相關(guān)光譜研究水體中DOM組成結(jié)構(gòu)及空間分異特征

李崇蔚， 于會彬， 楊 芳， 郭旭晶， 高紅杰， 白 楊

1. 成都信息工程大學資源環(huán)境學院， 四川 成都 610225 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

溶解性有機質(zhì)(dissolved organic matter， DOM)是指能通過0.45 μm孔徑濾膜， 由羥基、 醛基、 羧基、 氨基及羰基等多種活性官能團組成的異質(zhì)混合物[1]。 DOM在水生態(tài)環(huán)境中有著重要作用， 不僅能與金屬離子絡(luò)合進而影響物質(zhì)的生物有效性， 而且是重金屬、 多環(huán)芳烴、 營養(yǎng)鹽等物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的重要載體[2]。 天然水體中DOM主要來源于陸源和內(nèi)源， 組成結(jié)構(gòu)與地理空間分布及來源密切相關(guān)[3]。 研究DOM組分結(jié)構(gòu)的時空變化規(guī)律， 是揭示DOM遷移轉(zhuǎn)化與演變的關(guān)鍵。

目前， 主要應(yīng)用紫外-可見、 熒光、 傅里葉變換紅外(Fourier transform infrared, FTIR)、 核磁共振等光譜技術(shù)[4]， 研究水體中DOM組成結(jié)構(gòu)、 腐殖化程度及來源轉(zhuǎn)化等。 熒光光譜包括與發(fā)射/激發(fā)光譜、 同步熒光光譜(synchronized fluorescence spectra, SFS)和三維光譜， 其中SFS可以提供特征峰和肩峰以及更多有關(guān)DOM組成結(jié)構(gòu)的信息[5]。 FTIR是一種研究化合物中官能團和極性鍵振動結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)， 有取樣少、 簡潔迅速、 準確等特點， 可以分析有機物的組成結(jié)構(gòu)及官能團種類[6]。 由于DOM是一種復(fù)雜的有機混合物， 具有很高的異質(zhì)性， 其光譜極易出現(xiàn)高度重疊譜帶， 而傳統(tǒng)的“識峰”技術(shù)只能辨識DOM的部分組成結(jié)構(gòu)信息[7]。 二維相關(guān)光譜(two-dimensional correlation spectroscopy, 2D-COS)是將外部擾動(如時間、 濃度、 溫度等)產(chǎn)生的動態(tài)光譜擴展到兩個維度， 具有擴展分離重疊峰(提高分辨率)、 判斷不同組分的變化順序等特征。 此外， 應(yīng)用2D-COS異譜相關(guān)(將兩種不同類型的光譜整合成為一種光譜)， 研究不同波段之間的相關(guān)性， 進而可以對擾動引起的結(jié)構(gòu)變化給出互補關(guān)系[8]。 因此， 2D-COS被廣泛應(yīng)用到水環(huán)境有機質(zhì)組成結(jié)構(gòu)及遷移轉(zhuǎn)化的研究中。

選取我國最大的農(nóng)田退水湖泊——烏梁素海作為研究對象， 應(yīng)用SFS， FTIR與2D-COS方法， 分析水體中DOM組成結(jié)構(gòu)特征， 辨析DOM組分及官能團之間的協(xié)變性， 揭示其空間分異規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市境內(nèi)， 北靠陰山， 南抵黃河， 西接河套灌區(qū)， 東臨烏拉山； 位于40°36′N—41°03′N和108°43′E—108°57′E之間， 是我國八大淡水湖之一， 是地球同一緯度最大的濕地[9]。 烏梁素海面積293 km2， 容量為2.5×109～3.0×109m3， 接納河套灌區(qū)90%以上的農(nóng)田排水。 所在區(qū)域為溫帶大陸性氣候， 多年平均氣溫為7.3 ℃， 年均降水量為224 mm， 蒸發(fā)量為1 502 mm。 近年來巴彥淖爾市工業(yè)化、 城鎮(zhèn)化進程加快， 處理與未處理的大量工業(yè)廢水與城鎮(zhèn)生活污水進入湖泊， 導致湖泊水質(zhì)下降， 加劇了湖泊富營養(yǎng)化[10]。

1.2 樣品采集

基于烏梁素海的排干分布、 湖泊面積、 水文條件、 航道分布、 蘆葦?shù)韧λ脖环植紶顩r及水流方向(自北向南)， 在2018年9月， 采集9個水樣(圖1)。 其中， 1—3號點在北部水域， 是自然保護區(qū)的核心區(qū)； 4—6號點在中部水域， 是自然保護區(qū)的緩沖區(qū)； 7—9號點在南部水域， 是自然保護區(qū)的實驗區(qū)。 使用分層采水器采集水面下0.5 m深處的水樣， 分別裝入500 mL聚乙烯塑料瓶中， 水樣采集后馬上用0.45 μm的醋酸纖維素濾膜進行過濾， 濾液中的有機物即為DOM， 帶回實驗室放置于0～4℃冰箱中保存。

圖1 烏梁素海采樣點分布圖

1.3 SFS和FTIR測定

SFS測定： 保持溫度恒定[恒溫水浴(20±1) ℃]， 以Milli-Q超純水做空白。 使用高靈敏度熒光光譜分析儀(Hitachi F-7000， Japan)測定樣品DOM的同步熒光光譜[11]， 測定波長差Δλ=55 nm， 激發(fā)波長間隔為5 nm， 掃描范圍為260～550 nm， 掃描速度為240 nm·min-1。 此外， 從每個熒光區(qū)推導出SFS面積， 它們具有相同的單位(拉曼單位)， 可以解釋同源成分的相對豐度[12]。

FTIR測定： 對樣品先進行冷凍干燥， 將所得固體粉末以質(zhì)量比1∶200與KBr(光譜純)混合均勻， 于50～100 MPa下壓片測紅外光譜。 采用Perkin Elmer FTIR(Spectrum 100 NTSS)進行樣品測量， 波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1， 分辨率4 cm-1， 掃描次數(shù)16次[6]。 將數(shù)據(jù)均扣除背景后用Omnic8.0軟件處理， 經(jīng)過基線校正、 平滑處理、 歸一化在Origin8.0軟件中對其進行光譜圖繪制。

1.4 2D-COS

采用2D-shige軟件分別對FTIR和SFS一維光譜進行分析， 獲取FTIR和SFS的2D-COS譜圖， 并且將其整合為2D-COS異譜相關(guān)圖譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 SFS分析

在烏梁素海水體中， 9個采樣點的DOM同步熒光光譜圖相似(圖2)， 有兩個明顯的尖峰和一個弱肩峰。 位于波長260～300 nm之間的尖峰為類蛋白熒光(PLF)組分[13]， 波長在300～355 nm的尖峰被稱為微生物類腐殖質(zhì)熒光(MHLF)組分[12]， 位于波長355～420 nm間的肩峰則與類富里酸熒光(FLF)組分有關(guān)[14]， 位于波長420～500 nm范圍內(nèi)的肩峰與類胡敏酸熒光(HLF)組分有關(guān)[12]。

圖2 水體中DOM的同步熒光光譜

烏梁素海水體中DOM組分的相對豐度如圖3(a)所示。 北部水域總相對豐度的平均值為5 312.56， 中部水域為3 565.69， 南部水域為5 194.73。 其中北部水域的平均PLF和MHLF面積均達到最高分別為1 561.69±114.09， 2 531.36±23.72， 南部水域次之， 中部水域最小； 南部水域的平均FLF面積最高， 為1 256.89±410.86； 三個水域的HLF面積差別不明顯。 總體而言， 北部水域污染程度高于南部水域， 中部水域的污染程度較輕。 這可能是由于北部水域靠近總排干， 接納了大量的農(nóng)田退水與生活污水， 導致水域污染加劇； 而南部水域水體流動性差， 有機污染物在此積累， 導致該區(qū)域污染程度高于中部水域。

每個熒光組分的量可以用面積的百分比(%PLF， %MHLF， %FLF和%HLF)表征[圖3(b)]， 在DOM中不同組分的百分含量存在很大的差異。 %PLF變動范圍在24.82%～33.93%之間， %MHLF的變動范圍為42.44%～48.95%， %FLF的變動范圍為15.77%～28.23%。 %HLF相對較小(3.63%～4.66%)， 變動不大。 顯然， MHLF為DOM的主要組分， PLF組分次之。 MHLF主要由植物殘體腐爛產(chǎn)生的， 而PLF主要存在于生活污水和工業(yè)廢水中。 因此， 烏梁素海水體中的DOM的來源具有內(nèi)源和外源的雙重特征。

圖3 水體中DOM的組分相對豐度及百分比

2.2 2D-SFS-COS分析

北部水體中DOM的2D-SFS-COS由圖4(a)和(b)所示， 在譜圖(a)中存在1個自峰位于270 nm處， 表明北部水體的DOM中PLF變化較大(在外擾因子水體流動的影響下)。 在譜圖(b)中， 可以看到在(270～310 nm)處有1個正交叉峰。 根據(jù)Noda法則[15]， 吸收峰的變化順序為270 nm→310 nm， DOM組分的變動順序為： PLF→MHLF， 這表明在北部水體流動過程中PLF的變化優(yōu)先于MHLF。

中部水體中DOM的2D-SFS-COS由圖4(c)和(d)所示， 在譜圖(c)中存在2個自峰和一個負交叉峰， 自峰位于274和324 nm處， 且324 nm處的熒光強度大于274 nm處的熒光強度， 表明在中部水體的DOM中PLF和MHLF受外擾因子水體流動的影響， 且MHLF變化較大。 交叉峰位于(265～320 nm)處， 表明PLF與MHLF在中部水體中呈相反的變化趨勢。 譜圖(d)中， 在(275～324 nm)處有1個正交叉峰。 根據(jù)Noda法則[15]， 吸收峰的變化順序為274→324 nm， 這表明在中部水體流動過程中DOM組分的變動順序為： PLF→MHLF。

圖4 烏梁素海水體中DOM的同步-異步二維同步熒光相關(guān)光譜

南部水體中DOM的2D-SFS-COS由圖4(e)和(f)所示， 譜圖(e)中在370 nm處存在一個自峰， 表明在南部水體中FLF變化較大。 譜圖(f)中在(280～370 nm)處有一個正交叉峰， 在(335～370 nm)處有一個負交叉峰。 根據(jù)Noda法則[15]， 吸收峰的變化順序為280→370→335 nm， 這表明在南部水體流動過程中DOM組分的變動順序為： PLF→FLF→MHLF。

2.3 FTIR分析

2.4 2D-COS-FTIR分析

圖5 烏梁素海水體中DOM的紅外光譜

圖6 烏梁素海水體中DOM的同步-異步二維紅外相關(guān)光譜

2.5 SFS和FTIR的2D-COS異譜相關(guān)分析

應(yīng)用2D-COS異譜相關(guān)， 分析三個水域SFS和FTIR的協(xié)變性特征(圖7)。 在北部水域[圖7(a)]， 1 540， 1 450和1 150 cm-1處的FTIR波段與270 nm處的SFS波段呈正相關(guān)， 1 140 cm-1處的FTIR波段與270 nm處的同步熒光波段相關(guān)性顯著， 表明PLF組分與C—O官能團有相同的變化趨勢。

圖7 水體中DOM的SFS和FTIR的2D-COS異譜相關(guān)圖

3 結(jié) 論

(1)烏梁素海水體中DOM由類蛋白質(zhì)、 微生物類腐殖質(zhì)、 類富里酸和類胡敏酸組成， 以微生物類腐殖質(zhì)為主， 熒光物質(zhì)相對豐度為北部>南部>中部。

(2)北部和中部水體中主要的變動組分為類蛋白質(zhì)和微生物類腐殖質(zhì)， 類蛋白質(zhì)變動較大且最先變動； 南部水體中主要的變動組分為類蛋白質(zhì)、 微生物類腐殖質(zhì)和類富里酸， 其中類富里酸變化較大， 變動順序為類蛋白質(zhì)→類富里酸→微生物類腐殖質(zhì)。