賈魯河鄭州市區(qū)段有色可溶有機物(CDOM)的光譜學(xué)特征及源解析

吳 婷 侯海露 劉 冰

（鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450044）

0 引言

有色溶解有機物（CDOM）作為一種吸收紫外可見光的有機物，是水體中溶解性有機物（DOC）中的主要組成部分。同時，也是一類化學(xué)活性較高的溶解性有機碳［1］。CDOM 的遷移、轉(zhuǎn)化、可生物降解性和化學(xué)結(jié)構(gòu)變化等特征受到幾個主要影響因素的控制：原位生物生產(chǎn)、陸源輸入（源）、光化學(xué)降解、微生物降解（匯）、河流流量、季節(jié)和景觀格局等［1-5］。對CDOM 的途徑來源、組成成分及遷移化進行研究，對河流有機碳遷移轉(zhuǎn)化、污染源分析等具有不可忽略的作用。賈魯河屬于淮河流域沙潁河水系潁河支流，流經(jīng)鄭州市，最后匯入淮河［3］。隨著鄭州段周邊人口逐漸聚集，工農(nóng)業(yè)和生活污水排入賈魯河鄭州段的污染物不斷增加。三維熒光技術(shù)和平行因子分析法（3DEEMs-PARAFAC）可以非常快速并且精準地解析出水體中CDOM 的組分特征，并可以通過光學(xué)參數(shù)對CDOM 的來源進行確定，使其成為分析CDOM 的主要方法，得到了CDOM 的光譜特征、來源解析、生物降解性、空間分布和季節(jié)變化等研究結(jié)果［4-5］。因此，為了進一步考察賈魯河鄭州段水體的生態(tài)環(huán)境變化趨勢及影響因素，對河流中CDOM的研究具有重要意義。

本研究利用三維熒光技術(shù)中的平行因子分析法（3DEEMs-PARAFAC）、三維熒光區(qū)域積分法（FRI）與熒光指數(shù)法對賈魯河內(nèi)水體中CDOM 的組成特征及來源進行解析，并根據(jù)光學(xué)參數(shù)確定CDOM 來源，探究水中有機物、總氮、總磷與水體中CDOM的相對含量和組成特征，進而分析其來源。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預(yù)處理

2021年5 月和6月對賈魯河鄭州市區(qū)段水樣進行采集，樣品主要有（從上游到下游）：沙口路樣品（樣品1）、江山路樣品（樣品2）、清華園路樣品（樣品3）、文化北路樣品（樣品4）、花園北路樣品（樣品5）和中州大道樣品（樣品6），距離約10 km。采5 L水樣于棕色瓶中并置于低溫箱中冷藏保存（防止水體中的物質(zhì)見光分解），并于24 h 內(nèi)送至實驗室內(nèi)進行檢測。

1.2 三維熒光光譜（3DEEM）分析［6］

樣品使用熒光光譜分析儀（日立F-4600 型）進行3DEEM 分析，操作條件：1 cm 石英液池，150 W氙弧燈光源，700 V PMT 電壓，大于110 的信噪比，帶通。Ex（激發(fā)波長）與Em（發(fā)射波長）均為5 nm，將掃描速度設(shè)置為1 200 nm/min。掃描波段設(shè)置為：Ex280~400 nm，Em200~500 nm，并以超純水作為空白，做出基線標準。利用Matlab（2018a）軟件和nway320 工具、parafacmodeling ver2.0 工具進行三維熒光繪圖，平行因子分析，熒光指數(shù)、組分相對質(zhì)量濃度和歸一化體積比例等計算。

1.3 三維熒光區(qū)域積分法（FRI）［6］

將指定區(qū)域的標準體積（Φi，n）用以反映該區(qū)域中所檢測的特定結(jié)構(gòu)熒光物質(zhì)的含量，并將總的標準體積（ΦT，n）作為總體含量計算所測物質(zhì)的相對含量，即為三維熒光區(qū)域積分法（FRI）。相關(guān)計算公式如式（1）至式（4）。

式中：Δλex為激發(fā)波長間隔；Δλem為發(fā)射波長間隔；Iλex，λem為在不同激發(fā)與發(fā)射波長所呈現(xiàn)的熒光強度；Pi，n為熒光物質(zhì)的相對含量；MFi為倍乘系數(shù)［6］。

1.4 熒光指數(shù)法

FI（熒光指數(shù)）［7］是指當(dāng)Ex=370 nm時，Em=470 nm時與Em=520 nm 時的熒光強度的比值。當(dāng)FI＜1.4時，表明非水體的陸地或土壤是DOM 的主要來源；當(dāng)FI在1.4～1.9 時，則說明陸源和自生源是水中DOM的主要來源；當(dāng)FI＞1.9時，則說明水體中存在強烈的微生物活動，即水中的DOM 主要是由微生物代謝產(chǎn)生。

BIX（自生源指數(shù)）［7］是指當(dāng)Ex=245 nm 時，Em=380時與Em=430 nm時的熒光強度的比值。當(dāng)BIX＞0.8 時，表明生物或細菌會對自生源產(chǎn)生很大的影響；當(dāng)BIX＜0.8 時，表明陸源的輸入或人為的影響占有很大比重。

HIX（腐殖化指數(shù)）［7］是指當(dāng)Ex在波長245 nm下，Em在波長435～480 nm 和300～345 nm 范圍內(nèi)的熒光強度峰值面積的比率。當(dāng)HIX＜4 時，表明在該水體中DOM 的腐殖化程度較低；當(dāng)HIX＞4時，則表明水體中DOM的腐殖化程度較高。

1.5 其他參數(shù)的測定［8］

化學(xué)需氧量（CODCr）測定：采用重鉻酸鉀－硫酸亞鐵銨滴定法（HJ 828—2017）。

高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）測定：高錳酸鹽指數(shù)法（GB/T 11892—1989）。

氨氮（NH4+-N）測定：水楊酸－次氯酸鹽光度法。

總氮（TN）測定：堿性過硫酸鉀消解－紫外光度法（HJ 636—2012）。

總磷（TP）測定：鉬酸鹽分光光度法（GB/T 11893—1989）。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體水質(zhì)狀況

賈魯河鄭州市區(qū)段水體樣品1至樣品6的污染物質(zhì)量濃度如表1 所示，CODCr的質(zhì)量濃度分別為20.46 mg/L、37.12 mg/L、29.89 mg/L、21.66 mg/L、20.04 mg/L 和13.67 mg/L；NH4+-N 的質(zhì)量濃度分別為0.24 mg/L、2.47 mg/L、1.88 mg/L、1.22 mg/L、0.78 mg/L和1.05 mg/L；TP 的質(zhì)量濃度分別為0.44 mg/L、1.12 mg/L、0.58mg/L、0.56mg/L、0.62mg/L和0.51mg/L。由表1 可知，賈魯河鄭州市區(qū)段采集點水體中有機物、氮（N）和磷（P）等營養(yǎng)元素的濃度較高，主要可能是由于賈魯河鄭州市區(qū)段采集點上游為西流湖，西流湖周邊的生活廢水直接排放到湖里，在湖底堆積了大量的黑色淤泥，同時也無法避免附近居民的面源性污染隨著雨水流入湖泊，這些因素導(dǎo)致湖水富營養(yǎng)化［9-10］。

表1 采集樣品中污染物質(zhì)量濃度

2.2 水體中CDOM三維熒光特征

3DEEM 技術(shù)具有良好的選擇性和靈敏性，近年來被廣泛應(yīng)用于水體中DOM 的研究［11-12］。芳香性蛋白類物質(zhì)的分布范圍是Ex/Em=200~250 nm/280~320 nm、Ex/Em=200~250 nm/320~380 nm，即區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ；富里酸類物質(zhì)的分布范圍是Ex/Em=200~250 nm/380~400 nm，即區(qū)域Ⅲ；溶解性微生物產(chǎn)物（SMPs）的分布范圍是Ex/Em=250~280 nm/280~380 nm，即區(qū)域Ⅳ；腐殖酸類物質(zhì)分布范圍是Ex/Em=250~400 nm/380~400 nm，即區(qū)域Ⅴ。

從圖1 可以看出，在這五個區(qū)間的任何一個區(qū)間都有熒光峰，而更加顯著的熒光峰則在區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ出現(xiàn)，這說明樣品1 至樣品6 的有機污染物是芳香性蛋白類、富里酸類有機物和SMPs，并且相對另外兩類物質(zhì)而言含量比較低的是腐殖酸類有機物。樣品1 至樣品6 三維熒光譜圖的區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ、區(qū)域Ⅲ、區(qū)域Ⅳ和區(qū)域Ⅴ歸一化體積比例（P）如圖1 所示，區(qū)域Ⅱ、區(qū)域Ⅲ所占比例較高。其中，區(qū)域Ⅱ的歸一化體積比例（P）分別為24.3%、28.1%、28.2%、29.6%、29.4%、29.3%，區(qū)域Ⅲ的歸一化體積比 例（P）分 別 為35.3%、23.2%、33.4%、32.5%、30.7%、28.5%；區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ歸一化體積比例（P）之和為59.6%、51.3%、61.6%、62.1%、60.1%、57.8%。這也進一步表明，樣品1 至樣品6 中芳香性蛋白類、富里酸類有機物和SMPs是主要成分。

圖1 三維熒光譜圖中區(qū)域的歸一化體積比例

2.3 水體三維熒光定量分析

水體3DEEM 光譜進行定量分析采用熒光光譜區(qū)域體積積分分析法（FRI）［13-14］，區(qū)域內(nèi)有機物的相對含量可由不同區(qū)域體積積分（Phi）代表，可以對比分析不同水樣中CDOM 變化特征，Phi結(jié)果見表2。從表2 可以看出，樣品1 至樣品6 的區(qū)域Ⅳ區(qū)域體積積分（Phi）最大，分別為64.66×105au·nm2、97.87×105au·nm2、66.96×105au·nm2、48.06×105au·nm2、47.30×105au·nm2和51.52×105au·nm2，這說明賈魯河鄭州市區(qū)段水體中的CDOM 主要熒光組分是SMPs；另外，在整個熒光區(qū)域有機物總量中，芳香性蛋白類物質(zhì)和SMPs 占59.6 %、51.3 %、61.6 %、62.1%、60.1%、57.8%（見圖1），這更進一步驗證了芳香性蛋白類、富里酸類有機物和SMPs 是樣品1至樣品6中有機污染物的主要成分。

表2 不同樣品的熒光光譜區(qū)域體積積分（Phi）分析法參數(shù)

同時，樣品1 至樣品6 所檢測的五個區(qū)域總熒光區(qū)域標準體積總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這是因為SMPs 的主要成分是蛋白質(zhì)、多糖和核酸等物質(zhì)，這些物質(zhì)中的官能團（如氨基、羧基、羥基、磺酸基、酚羥基等）會與水中的金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成有機物-金屬化合物。

2.4 水體不同熒光組分特征

將所解析出的樣品1 至樣品6 熒光組分（C1 和C2）進行計算，得出這些樣品中熒光組分所呈現(xiàn)的熒光強度最大時的數(shù)值（Fmax），樣品中各組分的熒光強度和相對貢獻率如圖2 所示。樣品1 至樣品6熒光組分C1 最大熒光強度（Fmax）分別為1.30、0.76、1.13、1.10、1.05和1.06；樣品1至樣品6熒光組分C2最大熒光強度（Fmax）分別為0.43、1.63、1.18、0.56、0.29、0.24。圖2（a）表明，賈魯河鄭州市區(qū)段水體中熒光組分C1 熒光強度變化較小，相對比較穩(wěn)定，這也說明類腐殖質(zhì)物質(zhì)在采樣的河流水體中相對穩(wěn)定，不易降解；而熒光組分C2 的熒光強度變化較大，這表明采樣的河流水體中藻類、微生物（生物降解）等的質(zhì)量濃度具有一定幅度的變化。根據(jù)所檢測的熒光組分C1、C2 最大熒光強度計算出水樣中所含有的熒光組分的相對貢獻率，如圖2（b）所示，可以分析出樣品1、樣品4、樣品5 和樣品6 水體中CDOM 主要由腐殖質(zhì)物質(zhì)組成，分別占總熒光組分的平均值為75.25%、65.84%、78.03%和81.29%；而水體中CDOM 主要由類色氨酸物質(zhì)組成的樣品為樣品2、樣品3，分別占68.18%、51.09%。且C1和C2對總熒光強度的貢獻率分別為59.54%和40.46%。

圖2 樣品中各組分的熒光強度和相對貢獻率

2.5 水體中CDOM的來源解析

物質(zhì)的不同產(chǎn)地對CDOM 熒光強度的相對貢獻率可以用熒光參數(shù)來表示［15-16］，樣品1 至樣品6中的CDOM 所檢測計算的熒光特征參數(shù)結(jié)果見表3。由表3 可知，賈魯河鄭州市區(qū)段水體中FI值為1.48～1.60，可以得出賈魯河鄭州市區(qū)段水體中有色溶解有機物是陸源和自生源貢獻相結(jié)合。賈魯河鄭州市區(qū)段水體中BIX值為0.54～0.68（除樣品2外），表明賈魯河鄭州市區(qū)段水體中CDOM 以陸源輸入為主，受人類活動影響較大。賈魯河鄭州市區(qū)段水體中HIX值為0.40～0.55，表明賈魯河鄭州市區(qū)段水體中CDOM 腐殖化程度較低。因此，從整體來看，賈魯河鄭州市區(qū)段水體中CDOM 來自陸源和微生物源，但以陸源輸入為主，腐殖化程度不高，這說明人類活動對賈魯河鄭州市區(qū)段水體中CDOM的影響較大，人為型輸入CDOM 通過微生物降解和光解作用可以釋放出營養(yǎng)元素N、P等，被水體中浮游植物和細菌所利用，對水體中N、P轉(zhuǎn)化遷移等化學(xué)循環(huán)過程具有重要的影響。

表3 水體中CDOM的熒光參數(shù)

3 結(jié)論

①賈魯河鄭州市區(qū)段采集點水體中有機物、氮（N）和磷（P）等營養(yǎng)元素質(zhì)量濃度較高；樣品1至樣品6 中三維熒光光譜區(qū)域Ⅰ到區(qū)域Ⅴ都存在熒光峰，且更為顯著的熒光峰出現(xiàn)在區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ，芳香性蛋白類、富里酸類有機物和SMPs為有機污染物的主要構(gòu)成，含量比較低的是腐殖酸類有機物。

②通過三維熒光光譜區(qū)域體積積分分析法（FRI）得出的結(jié)果可以看出，樣品1至樣品6芳香性蛋 白 類 物 質(zhì) 和SMPs 占59.6%、51.3%、61.6%、62.1%、60.1%、57.8%；樣品1 至樣品6 熒光組分C1最大熒光強度（Fmax）分別為1.30、0.76、1.13、1.10、1.05 和1.06；樣品1 至樣品6 熒光組分C2 最大熒光強度（Fmax）分別為0.43、1.63、1.18、0.56、0.29、0.24。樣品1、樣品4、樣品5 和樣品6 水體中CDOM 主要由腐殖質(zhì)物質(zhì)組成；樣品2、樣品3 水體中CDOM 主要由類色氨酸物質(zhì)組成。

③賈魯河鄭州市區(qū)段水體中FI值為1.48～1.60，BIX值為0.54～0.68（除樣品2 外），HIX值為0.40～0.55。從整體上來看，賈魯河鄭州市區(qū)段水體中CDOM 來自陸源和微生物源，但以陸源輸入為主，腐殖化程度不高，人類活動對賈魯河鄭州市區(qū)段水體中CDOM的影響較大。