南湖水系表層沉積物有機(jī)質(zhì)的賦存特征、來源及生物有效性

郭云艷，周光鑫，王雅雯，王書航*，鄭朔方，姜霞，高建文

1.國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 3.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 4.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司

有機(jī)質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其特性對研究沉積物有機(jī)質(zhì)在水環(huán)境中如何參與地球化學(xué)循環(huán)至關(guān)重要。自然界中有機(jī)質(zhì)的組成十分復(fù)雜，對其組成和性質(zhì)的研究主要借助物理、化學(xué)分組并結(jié)合生物標(biāo)志物、同位素、光學(xué)參數(shù)等手段[1-2]。其中，根據(jù)有機(jī)質(zhì)的溶解特性使用不同的化學(xué)試劑進(jìn)行分組是最經(jīng)典的方法，化學(xué)試劑可分為四大類，依次是水溶性有機(jī)質(zhì)(WSOM)、富里酸(FA，既溶于酸又溶于堿)、胡敏酸(HA，只溶于堿不溶于酸)和胡敏素(HM，酸堿都不溶)[3-4]，其中，WSOM生物可利用性較好，是近年來的研究熱點(diǎn)。

南湖位于嘉興市中心城區(qū)，以南湖為中心，有京杭運(yùn)河北段及西段、長纖塘、海鹽塘、平湖塘、長水塘、新塍塘等主干河道呈輻射狀分布，且主河道之間又由環(huán)狀河道、支流、湖蕩連接貫通，因此南湖水系縱橫交錯、河網(wǎng)密布，是杭嘉湖水網(wǎng)的重要組成部分[5]。隨著城市化進(jìn)程的加快，來自于工業(yè)廢水、生活污水以及化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)面源污染致使以南湖為中心的水系自凈能力降低，水環(huán)境質(zhì)量不斷下降。對湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)組成特性的表征上，常見的有熒光光譜法、紅外-吸收光譜技術(shù)、紫外-可見吸收光譜技術(shù)、索氏提取技術(shù)等。由于每種紅外活性的振動都會相應(yīng)地產(chǎn)生一個吸收峰，因此使用紅外-吸收光譜技術(shù)來表征有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)特征還需進(jìn)行不斷地探索與完善；紫外-可見吸收光譜技術(shù)常用于研究具有共軛體系的不飽和有機(jī)化合物；索氏提取技術(shù)穩(wěn)定性較差，且不能定性揭示有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)；三維熒光光譜技術(shù)具有用量少、靈敏度高和不破壞樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，且能夠表征和區(qū)分沉積物中不同類型的有機(jī)質(zhì)熒光峰，進(jìn)而可以通過對熒光峰的分析確定沉積物有機(jī)質(zhì)的組成及其含量[6]。故筆者在南湖水系采集表層沉積物，使用連續(xù)提取法，通過三維熒光光譜法對南湖水系不同區(qū)域WSOM進(jìn)行深入研究，考察南湖水系表層沉積物層有機(jī)質(zhì)特征和來源及其對水質(zhì)的影響，以期為南湖水系水質(zhì)監(jiān)測及污染預(yù)警提供有益的補(bǔ)充和參考。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

嘉興市位于120°17′E～121°16′E，30°20′N～31°02′N，市境地勢低平。屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤，水系縱橫交錯、河網(wǎng)密布[5]。根據(jù)南湖及周邊水體分布特征，于2018年8月在南湖及周邊水體設(shè)置21個采樣點(diǎn)，采集表層(0～10 cm)沉積物樣品，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。采集的沉積物樣品封裝在干凈的自封袋中低溫保存，盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室完成冷凍干燥、研磨過篩(100目)等預(yù)處理工作。

圖1 南湖水系采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling points of Nanhu Lake water system

1.2 分析方法

1.2.1CN的測定

樣品的預(yù)處理：稱取適量沉積物樣品于100 mL離心管內(nèi)，加入足量的3 molL稀鹽酸，充分反應(yīng)去除碳酸鹽，用超純水洗至中性，冷凍干燥后研磨過100目尼龍篩備用。

取適量用稀鹽酸預(yù)處理后的沉積物樣品，用元素分析儀(Vario-Macro，德國)測定總有機(jī)碳(TOC)和總氮(TN)濃度，TOC與TN濃度比值即為CN。沉積物有機(jī)質(zhì)濃度以TOC濃度表示。

1.2.2有機(jī)質(zhì)組分的連續(xù)提取

沉積物有機(jī)質(zhì)賦存形態(tài)采用連續(xù)提取法測定：取1 g沉積物干樣，加入50 mL H2O置于25 ℃水浴振蕩1 h后，離心，上清液用中速定量濾紙過濾(下同)，得到上清液A為水溶性有機(jī)質(zhì)(WSOM)；用20 mL飽和NaCl清洗殘渣A后，再加入50 mL NaOH-Na4P2O7混合溶液，并用0.1 molL HCl調(diào)節(jié)pH為13，25 ℃振蕩1 h后離心、過濾，得到上清液B為酸堿提取態(tài)有機(jī)質(zhì)(HE)；殘渣B用飽和NaCl清洗后于55 ℃烘干，得到殘渣C為胡敏素(HM)。取20 mL HE溶液，用0.5 molL H2SO4調(diào)節(jié)pH為1.0～1.5，并在60 ℃保持1.5 h，靜置8 h后，離心、過濾，得到上清液為富里酸(FA)，沉淀為胡敏酸(HA)。WSOM、FA、HA濃度采用島津TOC分析儀(TOC-L，CPH)測定，HM濃度采用重鉻酸鉀氧化滴定法測定[7]。

1.2.3三維熒光光譜掃描及平行因子分析

WSOM提取液的紫外-可見吸收光譜使用紫外-可見分光光度計(D5000，哈希)測定，掃描波長范圍為200～800 nm，步長為1 nm，以超純水為參比。熒光光譜采用日立F7000熒光分析儀進(jìn)行分析，使用150 W氙燈為激發(fā)光源，9PMT電壓設(shè)為700 V；激發(fā)波長(Ex)掃描范圍為200～450 nm，發(fā)射波長(Em)掃描范圍為250～600 nm，激發(fā)波長和發(fā)射波長增量均設(shè)為2 nm，狹縫寬度為10 nm，掃描速率為12 000 nmmin。為保證熒光光譜特性的可比性，所得到的光譜均為扣除超純水空白后的矯正結(jié)果，以減少儀器條件和拉曼散射對熒光光譜的影響。三維熒光數(shù)據(jù)在進(jìn)行平行因子分析之前需進(jìn)行預(yù)處理。詳細(xì)的方法參照文獻(xiàn)[8-9]。在MATLAB軟件中使用DOM Fluor工具箱運(yùn)行PARAFAC模型對預(yù)處理后的三維熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過核心一致性檢測和裂半檢測來驗(yàn)證PARAFAC建模的有效性，并確定最優(yōu)的熒光組分個數(shù)[10]。

熒光指數(shù)(FI)為激發(fā)波長為370 nm時，發(fā)射波長在470與520 nm處的強(qiáng)度比值(FI=F470F520)；腐殖化指數(shù)(HIX)為通過激發(fā)波長為255 nm時，發(fā)射波長在436～480 nm的峰值面積與300～344 nm的熒光峰值面積之比[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)測指標(biāo)的分析均做3次平行，試驗(yàn)結(jié)果以3次樣品分析的平均值表示(誤差范圍<5%)，相關(guān)分析采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)法。采用Excel 2010、Origine 2018、SPSS 20.0和ArcGIS 10.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢驗(yàn)、分析和繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物有機(jī)質(zhì)賦存特征

南湖水系表層沉積物中有機(jī)質(zhì)的4種賦存形態(tài)的濃度及其占比如圖2所示。由圖2可見，表層沉積物中總有機(jī)質(zhì)濃度為5.96～40.04 gkg，平均值為15.69 gkg，其中最高值出現(xiàn)在新塍塘，最低值出現(xiàn)在長水塘。有機(jī)質(zhì)的4種賦存形態(tài)中，WSOM較容易被礦質(zhì)化和分解，并且其在水-沉積物界面之間存在濃度差，可進(jìn)行自由擴(kuò)散[12]，因此通過對WSOM的研究可以探究出溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)的遷移過程及化學(xué)特征，從而為研究DOM對水質(zhì)的影響提供依據(jù)。南湖水系表層沉積物中WSOM濃度整體較低，為0.22～1.61 gkg，平均值為0.62 gkg，占總有機(jī)質(zhì)的2.64%～7.40%，平均值為3.97%。沉積物WSOM的空間分布特征與總有機(jī)質(zhì)類似，所有采樣點(diǎn)中，新塍塘點(diǎn)位WSOM濃度最高，長水塘WSOM濃度最低。

圖2 南湖水系表層沉積物中 有機(jī)質(zhì)4種賦存形態(tài)的濃度及其占比Fig.2 Concentrations and proportions of four forms of organic matter in surface sediments of Nanhu Lake water system

酸堿提取態(tài)有機(jī)質(zhì)(HE)主要包括富里酸(FA)和胡敏酸(HA)。FA含有大量酚羥基、羰基等基團(tuán)，既可以溶于酸又可以溶于堿，顏色較淺，呈黃色，遷移能力較強(qiáng)。南湖水系表層沉積物有機(jī)質(zhì)中FA濃度為1.63～19.89 gkg，平均值為5.22 gkg；FA占有機(jī)質(zhì)總量的17.32%～49.67%，平均值為31.29%。表層沉積物FA和總有機(jī)質(zhì)的空間特征相似，均是在新塍塘及周圍河網(wǎng)處濃度較高，且在新塍塘處達(dá)到峰值(19.89 gkg)，其他地方整體濃度均較低。HA與FA相似的是均可以溶于堿，不同的是HA不能溶于酸，且其顏色較深，大多呈棕色、暗褐色等，移動能力較弱。表層沉積物有機(jī)質(zhì)組分HA濃度為1.28～7.94 gkg，平均值為5.00 gkg；占整個可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)的12.85%～53.37%，平均值為33.36%。空間上看，南湖水系表層沉積物有機(jī)質(zhì)組分HA濃度分布不均，在南部長水塘處濃度較低，為1.74 gkg，在新塍塘、蘇州塘、平湖塘及南湖部分區(qū)域處濃度大于6.00 gkg。

穩(wěn)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)HM性質(zhì)極不活潑，是與土壤礦物質(zhì)結(jié)合最緊密的物質(zhì)，其有著既不溶于酸又不溶于堿的特點(diǎn)，且平均分子質(zhì)量較大，表現(xiàn)出較難分解的特點(diǎn)。南湖水系表層沉積物有機(jī)質(zhì)中HM濃度為1.35～12.38 gkg，平均值為4.85 gkg；占總有機(jī)質(zhì)的9.80%～66.76%，平均值為31.38%。空間上，除新塍塘、平湖塘、嘉善塘、南湖處HM濃度相對較高外，在南北部濃度均較低。HM的活性相對較低，對污染物的活性和生物有效性的影響是最小的，造成HM濃度空間分布不均的原因可能有多種，如工業(yè)廢水、生活污水的排放，農(nóng)業(yè)面源污染，外源河流帶入等[13]。

2.2 沉積物WSOM的熒光光譜特征

利用平行因子分析法(parallel factor analysis，PARAFAC)對南湖水系表層沉積物中WSOM的三維熒光光譜矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，主要解析出4個熒光組分，各組分的熒光光譜及最大激發(fā)波長、發(fā)射波長分布如圖3所示。

由圖3可見，南湖水系表層沉積物共解析出2個類蛋白組分(C1、C4)與2個類腐殖質(zhì)組分(C2、C3)[14-17]，其中，C1組分在286和234 nm處存在2個明顯激發(fā)波長，在350 nm處有著最大發(fā)射波長，反映的是類蛋白物質(zhì)的類色氨酸的熒光峰；C4組分在220和274 nm處存在2個明顯的激發(fā)波長，在308 nm處有著最大發(fā)射波長，與低激發(fā)光光類酪氨酸相似，C1和C4組分均屬于內(nèi)源類DOM。C2組分在250和322 nm處有著2個最大激發(fā)波長，在444 nm處存在最大發(fā)射波長，與文獻(xiàn)[15]中紫外類富里酸和可見類富里酸類物質(zhì)波峰相近。C3組分在274和364 nm處有著2個最大激發(fā)波長，在486 nm處有著最大發(fā)射波長，與文獻(xiàn)[16]中長波類腐殖質(zhì)中的胡敏酸物質(zhì)波峰相近。

圖3 南湖水系表層沉積物中WSOM各熒光組分特征Fig.3 Characteristics of WSOM fluorescence components in surface sediments of Nanhu Lake water system

南湖水系表層沉積物中WSOM各熒光組分的熒光強(qiáng)度及占比如圖4所示。由圖4可見，表示類色氨酸的C1組分熒光強(qiáng)度為153.04～920.61 R.U.g，平均值為331.22 R.U.g；表示富里酸類的C2熒光強(qiáng)度為125.83～657.91 R.U.g，平均值為207.89 R.U.g；表示類腐殖質(zhì)的C3熒光強(qiáng)度為99.37～384.79 R.U.g，平均值為150.41 R.U.g；表示類酪氨酸的C4熒光強(qiáng)度為52.31～690.00 R.U.g，平均值為136.58 R.U.g?？偀晒鈴?qiáng)度為473.54～2 117.18 R.U.g，平均為826.11 R.U.g?？傮w來看，C2、C3的熒光強(qiáng)度均在杭州塘與南湖處呈現(xiàn)較高的數(shù)值，且都在南湖18號采樣點(diǎn)達(dá)到峰值，在其余地方均較低，二者空間分布趨勢相似，可以推斷出二者的來源有可能相同。C1的熒光強(qiáng)度在新塍塘與南湖較高，在南湖18號采樣點(diǎn)達(dá)到峰值，在其余地方均較低。C4則與之不同，在平湖塘與嘉善塘及周圍河網(wǎng)熒光強(qiáng)度均較高，其他地方明顯降低?？偀晒鈴?qiáng)度在南湖、平湖塘與嘉善塘處較高，在南湖處達(dá)到峰值。綜上，熒光強(qiáng)度低值主要分布在南部和北部，這可能是由于沉水植物的生長對水體起到了凈化作用，同時生態(tài)修復(fù)產(chǎn)生了較好的成效；高值主要分布在南湖、新塍塘、平湖塘與嘉善塘，這可能是由于處于旅游區(qū)受到人為因素的影響，且接收了嘉興市大量的工業(yè)廢水與生活污水，大量的入湖河流順流而下也可能造成湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)組分豐富。

圖4 南湖水系表層沉積物中WSOM 各熒光組分熒光強(qiáng)度及其占比Fig.4 Fluorescence intensities and proportion of WSOM fluorescent components in surface sediments of Nanhu Lake water system

2.3 與其他湖泊的對比

湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)主要來源于湖泊水生植物和流域侵蝕帶來的陸源植物碎屑。溫度和降水是控制植物生長的主要因素，干旱、半干旱地區(qū)流域植物的生長主要受降水控制；對湖泊水生植物，湖泊初級生產(chǎn)力主要受湖水營養(yǎng)物質(zhì)狀況和溫度控制，如在寒冷的條件下,低溫期延長，適宜植物旺盛生長的時間縮短，湖面冰封時間延長導(dǎo)致湖泊水生植物光合速率降低、光合產(chǎn)量降低及有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)力降低[18-19]。綜上，由于地理位置及環(huán)境條件的差異，不同湖泊沉積物中總有機(jī)質(zhì)的濃度不同。

總量上，南湖水系表層沉積物中總有機(jī)質(zhì)的濃度為5.96～40.04 gkg，平均值為15.69 gkg。研究表明[20]，烏梁素海沉積物中總有機(jī)質(zhì)濃度為4.50～22.83 gkg，平均值為11.80 gkg；岱海沉積物中總有機(jī)質(zhì)的濃度為6.84～23.46 gkg，平均值為14.94 gkg；太湖流域沉積物TOC濃度為3.21～44.54 gkg，平均值為14.45 gkg，其中，洮湖最高、滴水湖最低[21]；蠡湖沉積物中有機(jī)質(zhì)濃度為5.59～22.11 gkg，平均值為12.28 gkg[22]，均與本研究結(jié)果類似。但在賦存形態(tài)上，可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)(WSOM+FA+HA)中存在多種官能團(tuán)，能夠影響和控制水體中營養(yǎng)鹽、重金屬和持久性有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響其毒性和生物可得性。南湖水系表層沉積物中可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的68.83%，遠(yuǎn)高于長江中下游其他湖泊[23](表1)，這說明雖然南湖總有機(jī)質(zhì)濃度在長江中下游湖泊中并不高，但其可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)的占比卻是最高的，生物可利用性高是南湖有機(jī)質(zhì)的一大特點(diǎn)。

表1 長江中下游湖泊沉積物中可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)占比[23]

2.4 有機(jī)質(zhì)來源解析

DOM的來源可以分為陸源與自生源兩大類。陸源一般來自土壤中植物的分泌物和動物的排泄物及其殘體降解、地表徑流和淋溶等，導(dǎo)致陸源DOM中木質(zhì)素濃度較高；自生源一般來自水生動植物、微生物或藻類等的新陳代謝及其殘體降解，氮、磷等營養(yǎng)元素濃度較高[24]，DOM不同的來源和形成條件導(dǎo)致其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同。C、N是有機(jī)體的重要成分，不同的生物種類的CN也存在差異性，高等植物CN為14～23，水生生物為2.8～3.4。研究表明，CN可用于沉積物污染來源的判斷，一般認(rèn)為CN>10時，沉積物有機(jī)質(zhì)以外源輸入(陸源)為主；CN<10時，沉積物有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源(自生源)為主[25-26]。南湖水系表層沉積物中TN濃度為0.82～5.45 gkg，平均值為2.11 gkg；總有機(jī)質(zhì)濃度為8.52～57.20 gkg，平均值為22.41 gkg；CN為6.07～12.08，平均值為7.71。表明南湖水系表層沉積物有機(jī)質(zhì)中內(nèi)源有機(jī)質(zhì)占主導(dǎo)地位，這與馬龍等[18]對張北高原最大的內(nèi)陸湖泊安固里淖湖的研究結(jié)果類似，安固里淖湖CN平均值為8，其總有機(jī)質(zhì)主要來源于內(nèi)源水生植物。

同時，可以利用WSOM的熒光指數(shù)表征溶解性有機(jī)質(zhì)中腐殖質(zhì)的來源，熒光指數(shù)接近或者大于1.9說明主要來源于微生物代謝等過程，接近或者小于1.4說明陸源占主要貢獻(xiàn)。南湖水系表層沉積物WSOM熒光指數(shù)(FI)為1.54～1.78，平均值為1.60，內(nèi)源比例為57.34%，說明南湖水系表層沉積物WSOM的來源中自生源占比較大，但同時受到地表徑流的等陸源的影響。

2.5 生物可利用性

為研究溶解性有機(jī)質(zhì)的生物可利用性和遷移轉(zhuǎn)化能力，采用HIX來表征有機(jī)質(zhì)腐殖化的程度或成熟度，當(dāng)HIX小于4時，有色溶解性有機(jī)質(zhì)(CDOM)主要由生物活動產(chǎn)生，腐殖化程度較弱。南湖水系表層沉積物的HIX為1.62～7.76，平均值為3.69，表明南湖水系表層沉積物中CDOM主要來源于生物活動，腐殖化程度較弱，生物可利用性較好[26]。

表2 南湖水系表層沉積物WSOM 熒光組分與游離態(tài)氮的Pearson相關(guān)性

3 結(jié)論

(1)南湖水系表層沉積物中總有機(jī)質(zhì)的濃度為5.96～40.04 gkg，平均值為15.69 gkg，WSOM、FA、HM和HA平均濃度依次為0.62、5.22、5.00、4.85 gkg；而WSOM鑒別出4種熒光組分，包含2個類腐殖質(zhì)組分(C2、C3)與2個類蛋白組分(C1、C4)，其中C1為類色氨酸物質(zhì)，C2為富里酸，C3為胡敏酸，C4為酪氨酸。

(2)南湖水系表層沉積物中可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)的平均濃度為10.80 gkg，總有機(jī)質(zhì)的平均濃度為15.69 gkg，可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的68.83%，遠(yuǎn)高于其他長江中下游湖泊?？商崛B(tài)有機(jī)質(zhì)的比例較高，表明沉積物易降解，生物可利用性高。