基于三維熒光和二維相關(guān)光譜的城市河流溶解性有機質(zhì)組成及其空間分異特征

崔 兵,高紅杰,鄭昭佩,于會彬①

(1.山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250358；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院流域水污染綜合治理中心，北京 100012)

溶解性有機質(zhì)(dissolved organic matter，DOM)是一種廣泛存在于水環(huán)境中的復(fù)雜有機質(zhì)，通常指能通過0.45 μm孔徑濾膜，由脂肪族和芳香族以及羥基、羧基和氨基等多種官能團組成的有機物連續(xù)體或混合體[1]。水體中DOM來源分為內(nèi)源與外源[1-3]，內(nèi)源主要指水體生物活動，如藻類釋放和水體微生物等自身腐爛分解產(chǎn)生的有機物；外源指大氣、陸地等生態(tài)系統(tǒng)的有機物通過降雨、徑流和滲濾等過程進入水體。DOM能夠影響營養(yǎng)鹽釋放，且可與水體中重金屬相互作用，影響水體中微量金屬離子的形態(tài)、毒性和遷移轉(zhuǎn)化過程及生物有效性，在水域生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用[4-5]。近年來由于人類活動對河流的影響，入河污染物負荷增大，導(dǎo)致河流中有機質(zhì)含量增加，影響了河流水質(zhì)特征，加劇了水質(zhì)惡化。蒲河是一條典型城市污染河流，上游河段位于人口較少的清潔區(qū)；中游和下游河段分別位于工業(yè)發(fā)達的工業(yè)區(qū)和人口密集的居民生活區(qū)，承接的大量工業(yè)廢水和生活污水中的有機污染物加劇了蒲河水質(zhì)惡化。

目前，研究水體中DOM組成結(jié)構(gòu)的方法主要有熒光光譜、紫外-可見吸收光譜、傅里葉紅外光譜和核磁共振等技術(shù)。熒光光譜包括激發(fā)/發(fā)射光譜、同步光譜和三維熒光光譜(three-dimensional excitation-emission matrix，EEM)[6]，其中EEM具有信息全面、靈敏度高、用量少和不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，可以通過特征熒光峰的激發(fā)/發(fā)射波長及熒光強度，確定DOM種類及含量，因此在DOM解析中得到廣泛應(yīng)用[7]。PATEL-SORRENTINO等[8]研究亞馬遜河河水DOM的三維熒光光譜特征，發(fā)現(xiàn)發(fā)射波長λem=410～450 nm時，在激發(fā)波長λex=235～330 nm和λex=310～330 nm處存在2個富里酸熒光峰。二維相關(guān)光譜(two-dimensional correlation spectroscopy，2D-COS)是一種能夠跟蹤復(fù)雜混合物在擾動因素下微妙響應(yīng)的技術(shù)。目前2D-COS與熒光光譜結(jié)合多用于研究DOM空間分布、DOM與重金屬絡(luò)合反應(yīng)和廢水處理效果評估[9-10]。傳統(tǒng)的2D-COS通常基于平行因子(parallel factor analysis，PARAFAC)方法得出的最大熒光強度(Fmax)進行分析，無法識別不同組分之間的微小變化，而以水流流向為擾動因素，基于PARAFAC得出的激發(fā)載荷，能夠區(qū)分不同組分之間的變化規(guī)律[11-12]。鑒于此，以蒲河為研究對象，采集不同點位上覆水，利用光譜及數(shù)理統(tǒng)計方法，研究蒲河上覆水DOM光譜特征，揭示DOM來源、含量、結(jié)構(gòu)組成和腐殖化程度，為蒲河水質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蒲河(41°21′53′′～42°4′15′′ N、122°40′48′′～123°56′32′′ E)發(fā)源于遼寧省鐵嶺市想兒山，流經(jīng)沈陽市境內(nèi)，沿途有南小河、黃泥河等支流匯入，最終在遼中縣匯入渾河。蒲河總長為205 km，流域面積為2 610 km2。由于城鎮(zhèn)化進程加快及各產(chǎn)業(yè)發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水和農(nóng)田廢水不斷進入水體，造成蒲河水質(zhì)惡化[13]。根據(jù)2019年8月水質(zhì)斷面及底泥調(diào)查結(jié)果，參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》，蒲河劣Ⅴ類斷面占比為22%，其超標(biāo)因子為COD，質(zhì)量濃度平均值為62.94 mg·L-1。

1.2 采樣點設(shè)置與樣品采集

基于水動力特征及污染源分布，在蒲河設(shè)置9個采樣點(圖1)，其中1#、2#和3#采樣點位于人口密度較低、污染程度較輕的清潔區(qū)河段；4#、5#和6#采樣點位于工業(yè)發(fā)達的工業(yè)區(qū)河段；7#、8#和9#采樣點位于人口較為密集的居民生活區(qū)河段。使用分層采水器采集不同點位上覆水，分別裝入500 mL聚乙烯水樣瓶中密封保存，帶回實驗室放置于冰箱中冷凍保存1 h。

1.3 DOM提取與熒光光譜檢測

將采集的水樣采用0.45 μm孔徑濾膜過濾，濾液即為DOM溶液。分析前采用硫酸奎寧溶液(4 μg·L-1奎寧溶于0.05 mol·L-1硫酸中)在λex/λem=350 nm/450 nm處熒光強度對所有樣品熒光強度進行標(biāo)準化[14]，并采用吸光度校正EEM內(nèi)濾效應(yīng)[15]。采用熒光分光光度計(日立F7000，日本)對DOM樣品進行三維熒光光譜檢測，以Mill-Q超純水為空白水樣作為校正。實驗參數(shù)：激發(fā)光源為150 W氙燈；光電倍增電壓為400 V；λex為200～450 nm，λem為260～550 nm；λex和λem狹縫寬度均為5 nm；響應(yīng)時間為5 s；掃描速度為2 400 nm·min-1；掃描光譜采用儀器自動校正。檢測后通過扣除水樣空白和手動置零方式消除拉曼散射和瑞利散射[16]。

1.4 數(shù)理統(tǒng)計分析

采用MATLAB 2017b軟件中DOMFlour工具箱進行EEMs矩陣的PARAFAC分析，模型通過半劈開驗證和殘差驗證，確定合適的DOM組分數(shù)[17-18]。采用Kwansei Gakuin大學(xué)發(fā)布的2D-shige軟件對DOM各組分激發(fā)波長做同步異譜圖和異步異譜圖并進行分析，得到不同組分之間的變動順序[19-21]。采用SPSS 19.0軟件對熒光組分和熒光指數(shù)進行主成分分析(principal component analysis，PCA)，識別不同區(qū)域水質(zhì)的主要影響因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 三維熒光光譜特征

圖2為蒲河流域各點位上覆水DOM三維熒光光譜，蒲河各點位熒光光譜形狀及峰位基本相似，存在6個較為明顯的熒光峰。根據(jù)文獻[22-23]，T1和T2峰為類色氨酸熒光峰(λex/λem=220～240和260～280 nm/320～370 nm)，是由微生物代謝產(chǎn)物引起的類蛋白峰，通常用來表征河水中微生物活動強度；A峰為紫外光區(qū)類富里酸峰(λex/λem=230～260 nm/370～480 nm)；C峰為可見光區(qū)類富里酸峰(λex/λem=310～360 nm/370～480 nm)；H和F峰分別為紫外光區(qū)和可見光區(qū)類胡敏酸峰(λex/λem=260～300和350～380 nm/475～510 nm)，富里酸和胡敏酸一般表征陸源性有機物質(zhì)。各采樣點圖譜類富里酸熒光峰(A)和類蛋白熒光峰(T1)熒光強度明顯高于其他4個峰，表明這2個峰對應(yīng)的DOM含量較高。1#～3#采樣點熒光峰強度明顯小于4#～9#采樣點相應(yīng)熒光峰強度，說明工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段DOM含量大于清潔區(qū)河段。

2.2 光譜指數(shù)分析

熒光指數(shù)(FI)指激發(fā)波長λex為370 nm時，發(fā)射波長λem為450與500 nm處熒光強度的比值，常用來指示DOM來源[16，24]。根據(jù)文獻[24]，當(dāng)FI值>1.9時，DOM主要來自微生物分解的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物；當(dāng)FI值<1.4時，DOM主要來自陸源有機質(zhì)，由徑流進入水體[25]。圖3顯示，蒲河各樣點FI值介于1.76～2.01之間，平均值為1.88±0.08。其中清潔區(qū)河段1#、2#和3#點位FI平均值為1.92±0.03，工業(yè)區(qū)河段4#、5#和6#點位FI平均值為1.88±0.03，生活區(qū)河段7#、8#和9#點位FI平均值為1.82±0.14?？傮w來看，蒲河各河段FI值由高到低為清潔區(qū)>工業(yè)區(qū)>生活區(qū)，清潔區(qū)河段DOM主要來源于微生物代謝等過程，而工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段表現(xiàn)出陸源和生物源的雙重特性。

自生源指標(biāo)(BIX)指λex為310 nm時，λem為380與430 nm處熒光強度的比值，用來表征自生源特征及生物可利用性[26]。當(dāng)BIX值>0.8時，自生源特征明顯；當(dāng)BIX值<0.8時，自生源特征不明顯[27]。

如圖3所示，蒲河各樣點BIX值介于1.02～1.27之間，平均值為1.16±0.06，說明蒲河DOM自生源明顯，生物可利用程度高。其中清潔區(qū)河段1#、2#和3#點位BIX平均值為1.19±0.06，工業(yè)區(qū)河段4#、5#和6#點位BIX平均值為1.17±0.006，生活區(qū)河段7#、8#和9#點位BIX平均值為1.12±0.09，總體來看，蒲河各河段BIX值由高到低為清潔區(qū)>工業(yè)區(qū)>生活區(qū)，清潔區(qū)河段DOM自生源特征最明顯。

腐殖化指數(shù)(HIX)指λex為255 nm時，λem為435～480與300～345 nm區(qū)間積分值(或平均值)的比值[28-29]。HIX值主要用來表征DOM的腐殖化程度，HIX值越大,表明腐殖化程度越高。如圖3所示，蒲河各樣點HIX值為1.76～2.68，點位HIX值均小于4，腐殖化程度較弱，自生源明顯，DOM以內(nèi)源產(chǎn)生為主。其中清潔區(qū)河段1#、2#和3#點位HIX平均值為1.89±0.02，工業(yè)區(qū)河段4#、5#和6#點位HIX平均值為1.81±0.07，生活區(qū)河段7#、8#和9#點位HIX平均值為2.04±0.70，總體來看，蒲河各河段HIX值由高到低為生活區(qū)>清潔區(qū)>工業(yè)區(qū)，生活區(qū)河段腐殖化程度最高，清潔區(qū)河段次之，工業(yè)區(qū)河段最低。生活區(qū)河段8#和9#采樣點HIX值明顯高于其他采樣點，這可能是經(jīng)雨水排口匯入大量生活污水引起。

綜上所述，蒲河清潔區(qū)河段上覆水DOM主要來源于微生物代謝等過程，而工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段表現(xiàn)出陸源和生物源的雙重特性，蒲河上覆水總體上腐殖化程度較弱。

2.3 平行因子分析

采用PARAFAC分析得到6個熒光組分(圖4)，包括C1(λex/λem=245 nm/400 nm)、C2(λex/λem=230～320 nm/400 nm)、C3(λex/λem=260～350 nm/450 nm)、C4(λex/λem=270 nm/350 nm)、C5(λex/λem=220 nm/400 nm)和C6(λex/λem=230 nm/350 nm)。其中C1和C2組分分別為紫外光區(qū)類富里酸和可見光區(qū)類富里酸，分別對應(yīng)傳統(tǒng)A和C峰，一般指示外源輸入[30-31]。C3組分為類胡敏酸，分為可見光區(qū)和紫外光區(qū)，分別對應(yīng)傳統(tǒng)的F和H峰，是典型陸源類腐殖質(zhì)[32-34]，主要來源于生活污水和工業(yè)廢水[35]。C4和C6組分為類蛋白物質(zhì)，對應(yīng)傳統(tǒng)的T峰，主要來源于水生生物代謝產(chǎn)生的氨基酸類產(chǎn)物和生活污水排入，對熒光峰具有復(fù)雜影響[36]。C5組分為酚類物質(zhì)，來自于煤氣焦化、石油、化工、制劑制藥和油漆等行業(yè)廢水[37]，可能是由于沈陽東部工業(yè)園區(qū)內(nèi)制藥和化工企業(yè)排放廢水匯入蒲河。

基于平行因子提取的DOM熒光組分Fmax可用于表征相應(yīng)組分豐度(圖5)。

蒲河各點位組分Fmax之和介于1 086.7～1 795.8 之間，表明各點位之間熒光物質(zhì)含量差異較大。1#～3#采樣點Fmax平均值為1 176.02±81.53，4#～6#采樣點為1 724.26±68.69，7#～9#采樣點為1 632.83±31.80，各河段Fmax由大到小為工業(yè)區(qū)>生活區(qū)>清潔區(qū)，表明工業(yè)區(qū)河段DOM中熒光物質(zhì)含量最大，其次為生活區(qū)河段，清潔區(qū)河段最小。

在清潔區(qū)河段，C1組分Fmax平均值為309.52±37.22，C2組分為166.89±24.35，C3組分為155.44±20.51，C4組分為181.41±19.94，C5組分為212.76±30.62，C6組分為149.98±41.27?？傮w來看，C1組分豐度最大，且變化幅度較大，其次為C5組分；C3和C4組分豐度較小，且變化幅度較小；C6組分含量最低，但變化幅度最大。在工業(yè)區(qū)河段，C1組分Fmax(489.23±9.50)約為C2(252.97±19.59)、C3(228.99±20.26)和C4(236.84±21.54)組分的2倍，為C6(191.89±25.44)組分的2.5倍，為C5(325.24±28.31)組分的1.5倍；相比于清潔區(qū)河段，工業(yè)區(qū)河段酚類物質(zhì)含量明顯升高，說明工業(yè)區(qū)河段受污水排放影響較大。在生活區(qū)河段，DOM各組分Fmax由大到小順序為C1(452.49±5.43)>C5(271.13±8.50)>C4(254.76±3.4)>C2(242.57±8.19)>C3(211.47±10.61)>C6(200.41±29.19)，生活區(qū)河段類色氨酸含量比清潔區(qū)和工業(yè)區(qū)河段都高，說明生活污水是生活區(qū)河段DOM的主要來源。

圖6為水體中各類組分最大熒光強度占比。蒲河DOM不同組分含量差異很大，C1組分占比為24.64%～29.65%，C2組分為13.15%～16.12%，C3組分為12.13%～14.06%，C4組分為12.85%～18.39%，C5組分為16.10%～19.79%，C6組分為8.64%～15.21%。類富里酸是蒲河DOM主要組分，其次為類色氨酸和酚類物質(zhì)，類胡敏酸最少。

2.4 2D-COS分析

基于平行因子法分析結(jié)果，蒲河DOM中類富里酸和類色氨酸含量較高，且在清潔區(qū)、工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段變動較大。因此，C1、C2和C4 3個組分之間的變化規(guī)律對研究區(qū)環(huán)境研究具有較高科學(xué)價值。

圖7為蒲河清潔區(qū)、工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段采樣點DOM C1、C2和C4組分間的同步-異步2D-COS圖。

如圖7所示，清潔區(qū)河段同步圖譜中C1和C2與C4均呈正相關(guān)，但在異步圖譜中C1和C2與C4均呈負相關(guān)。因此，隨著河流流向，蒲河清潔區(qū)河段C1、C2與C4變化順序為C1/C2→C4，表明類富里酸含量變動幅度大于類色氨酸，類色氨酸含量相對穩(wěn)定，間接驗證清潔區(qū)河段生活污水和工業(yè)廢水排放較少，受人類活動影響較弱。如圖7所示，工業(yè)區(qū)河段同步圖譜中C1和C4呈正相關(guān)，C2與C4呈負相關(guān)，異步圖譜中規(guī)律一致。因此，蒲河工業(yè)區(qū)河段C1、C2與C4變化順序為C4→C1/C2。如圖7所示，生活區(qū)河段同步和異步圖譜中C1、C2與C4均呈正相關(guān)，因此變化順序為C4→C1/C2，這表明工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段類色氨酸含量變動幅度比類富里酸大，進而驗證存在大量生活污水和工業(yè)廢水匯入，導(dǎo)致類色氨酸物質(zhì)可能降解為小分子類富里酸。

2.5 主成分分析

對光譜指數(shù)和熒光組分Fmax進行主成分分析，KMO值為0.54，P值為0，滿足主成分分析要求。經(jīng)主成分分析得到2個成分，累計方差貢獻率為73.93%，能夠反映原始指標(biāo)特征。指標(biāo)載荷絕對值大于0.7時，該指標(biāo)為關(guān)鍵因子。圖8為主成分因子載荷和采樣點得分示意。PC1累計貢獻率為55.15%，包含C1、C2、C3、C4和C5組分，它們與PC1載荷呈顯著正相關(guān)，間接驗證蒲河污染物主要來源于工業(yè)廢水和生活污水。PC2累計貢獻率為18.78%，包含BIX和C6組分，其中BIX與PC2載荷呈正相關(guān)，而C6組分與PC2載荷呈負相關(guān)，表明DOM以生物源為主。8#采樣點得分較高，表明8#采樣點BIX值最低(圖4)；1#采樣點PC2得分最低，表明1#采樣點C6組分含量最低(圖5)。

依據(jù)采樣點得分矩陣得到3個橢圓(置信度為45%)，分別為清潔區(qū)河段(1#～3#)、工業(yè)區(qū)河段(4#～6#)和生活區(qū)河段(7#～9#)。1#～3#采樣點位于Ⅱ和Ⅲ象限，4#～9#采樣點位于Ⅰ和Ⅳ象限，這表明蒲河上覆水DOM特征沿清潔區(qū)、工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段發(fā)生變化。4#～6#采樣點得分較高，表明這3個采樣點DOM含量較高，蒲河DOM深受人類活動影響。

3 結(jié)論

(1)蒲河上覆水DOM主要由類富里酸、類胡敏酸、類色氨酸和酚類物質(zhì)組成，其豐度由大到小為類富里酸>類色氨酸>酚類物質(zhì)>類胡敏酸。工業(yè)區(qū)河段DOM熒光物質(zhì)豐度最大，其次為生活區(qū)河段，清潔區(qū)河段最小。

(2)蒲河清潔區(qū)河段DOM主要來源于微生物代謝等過程，而工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段表現(xiàn)出陸源和生物源的雙重特性，總體上腐殖化程度較弱。

(3)蒲河工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段類色氨酸含量變化幅度大于類富里酸，而清潔區(qū)河段相反，表明工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段DOM受人類活動影響明顯大于清潔區(qū)河段。

(4)DOM特征與C1～C5組分呈顯著正相關(guān)，表明水中污染物主要來源于工業(yè)廢水和生活污水。不同河段DOM存在差異，呈沿清潔區(qū)、工業(yè)區(qū)和生活區(qū)河段變化的規(guī)律。