太湖水体溶解性有机质荧光特征及分析对防止水体污染的意义

　　1 引言

　　溶解性有机质(Dissolved Organic Matter，DOM)是一类含有富里酸、腐殖酸、芳烃聚合物质等可溶性的有机质，能够反映水体性质组成，对生态系统有重要作用.DOM含有丰富的碳、氮、磷等生源要素，在湖泊系统中，其在各种物理、化学和生物以及蓝藻水华爆发过程中扮演十分重要的角色.DOM两个主要来源分别是陆源输入和生物内源释放，前者主要来自降水、入湖河水、污水 处理厂废水以及直排生活污水等，但近些年来，管理部门加大对工业废水以及生物污水的达标排放，外源污染逐渐得到控制，而后者来源主要为水生植物、藻类和细菌等分泌、排泄物及其残体分解产物.与外源相比，内源DOM富含丰富的碳水化合物，较易降解，且参与微生物食物链中物质迁移转化及能量传递，对初级生产力具有显著贡献.有研究发现，内源DOM是湖泊藻类爆发过程中营养物质的重要来源，对湖泊内源DOM化学结构的表征和分析是研究其迁移转化的关键所在.

　　近些年来，三维荧光光谱技术以其样品用量少、重复性高、灵敏度高、不破坏样品结构等优势，被广泛应用于湖泊沉积物、水体及植物DOM组成结构及迁移转化规律研究.另外，3DEEM分析结合其他的数据分析方法(如：平行因子分析法)，研究水体中DOM特征及其来源，为认识湖泊水体中DOM提供了新的可能.而对于典型富营养化浅水湖泊(太湖)而言，3DEEM技术结合平行因子法被应用于太湖水体、沉积物DOM的组成结构、来源以及分布规律研究.除了沉积物中累积有机质的降解释放，水生植物和藻类生长过程中分泌物、死亡残体降解等也对太湖水环境中DOM产生了重要的影响.尤其是水生植物在太湖中广泛分布，例如东太湖水生植物可占太湖总水生植物的74%.然而，对太湖水体、沉积物释放、水生植物和藻类残骸腐解后产生的DOM化学和光学特性的差异及其相互关系研究十分有限.故本研究利用3DEEM技术结合平行因子分析法(PARAFAC)，分析太湖水体DOM的组成结构和分布规律，研究沉积物的释放以及藻类和水生植物残骸降解对水体中DOM荧光组成特征的影响，以期为深入理解内源污染对富营养化湖泊生态系统物质循环和环境行为特性提供科学依据.

　　2 材料与方法

　　2.1 样品采集与处理

　　2015年5月18—28日在太湖8个典型区域(竺山湾、梅梁湾、贡湖湾、东部区、东太湖、湖心区、西南湖区和南部沿岸)采集表层水(水面以下0.5 m)和藻类、水生植物及表层沉积物样品(图 1).水质基本参数(pH、溶解氧、水温、电导率)现场测定，测定结果见表 1.采集后的样品置于冷藏箱中黑暗低温保存，并立即送往实验室.其中，水体样品采用玻璃纤维滤膜(GF/F，Whatman，UK)过滤，并进行溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)含量测定及3DEEM、紫外吸收系数UV254的分析.

　　　　图1 太湖水体采样点分布

　　　　表1 太湖采样点坐标及基本水质参数

　　8个点位的藻类、水生植物和沉积物样品分别等量混合为3个样品，分别放置锥形瓶中加入超纯水后密封，置于人工气候室中，光照条件：3000 lx;明暗周期12 h ∶ 12 h;温度(22±1)℃，实验中所有玻璃仪器经HCl浸泡24 h，洗净后高温灭菌(160 ℃，1 h).取样时间为培养前0 d和培养后10 d的上午10:00，使藻类和水生植物自然死亡腐烂分解，沉积物自然释放，培养前和培养后每个处理各取20 mL液体，经玻璃纤维滤膜(GF/F，Whatman，UK)(450 ℃，灼烧4 h)过滤后用于3DEEM的分析测定.

　　2.2 三维荧光、DOC及UV254的分析测定

　　3DEEM测定采用HITACHI F-7000荧光分光光度计(1 cm石英荧光样品池).激发光源：150 W氙弧灯;PMT电压：700 V;信噪比>110，;响应时间：自动;带通(B and pass)：激发波长λEx=5 nm，发射波长λEm=5 nm;扫描速度：2400 nm · min-1;扫描光谱进行仪器自动校正;水样扫描波长范围：λEx=200~400 nm;λEm=250~500 nm，藻类和沉积物样品扫描波长范围：λEx=200~450 nm;λEm=250~600 nm，水生植物样品扫描波长范围：λEx=200~600 nm;λEm=250~800 nm;测定前，保持温度恒定(恒温水浴20 ℃±1 ℃);以Milli-Q超纯水做空白;实验过程中每隔5个样品，利用Milli-Q超纯水的拉曼光谱强度监控荧光仪的稳定性，同时利用0.01 mg · L-1硫酸奎宁进行荧光定标.

　　水样UV254的测定采用Agilent安捷伦8453紫外可见分光光度计，以1 cm比色皿Milli-Q超纯水做空白，同时测定溶液在254 nm和365 nm处的吸光度，利用其差值消除悬浮物吸光度值测定的影响.另外，采用TOC测定仪(Multi N/C 3100，德国)分析水体样品中DOC浓度.

　　2.3 数据分析

　　在Matlab中使用DOMFluor工具箱运行PARAFAC法模型对采样点的3DEEM数据进行分析，采用SPSS 11.5软件进行均值、标准差等数据统计分析，3DEEM光谱图用Sigmaplot12.0软件进行处理.

　　3 结果与讨论

　　3.1 太湖DOM主要荧光峰

　　不同湖区水体采样点和降解实验DOM三维荧光样品检测后，共得到8种荧光组分，见表 2.其中T1、T2、B1、B2合称为类蛋白荧光峰，T1、T2峰反映的 是生物降解来源的类酪氨酸物质，代表与微生物降解产生的芳香性蛋白类结构有关的荧光基团.而B1、B2峰反映的是生物降解来源的类色氨酸物质，与DOM中的芳环氨基酸结构有关.而F、M、C、A峰反映的是类腐殖酸、类腐殖质及可见区和紫外区的类富里酸，代表较难降解的DOM，与类富里酸荧光和腐殖质结构中的羟基和羧基有关，一般来自于陆源，也可能来源于原位细菌降解过程中细菌呼吸作用的副产物.有研究学者发现，浮游植物原位降解产生的DOM中包含大约25%的类腐殖质荧光.本研究中出现的荧光峰与刘明亮、宋晓娜等对太湖DOM三维荧光光谱分析得到的荧光峰类型一致.

　　表2 溶解性有机质的主要荧光峰及相应位置

 　　3.2 太湖水体DOM荧光特征及荧光强度

　　太湖水体均不同程度的出现了代表类色氨酸荧光物质的T1、T2峰：T1峰强度南部沿岸8#>梅梁湾2#>贡湖湾3#;T2峰强度南部沿岸8#>竺山湾1#>梅梁湾2#>贡湖湾3#;其余区域T1、T2峰相差不大.这可能是因为太湖南部沿岸接纳了湖州市大量工业废水和生活污水，使大量DOM进入湖区内，同时，西南湖区靠近宜兴市，且分布着大量的入湖河流(如大浦河等)，其顺流而下流入南部区，最终 造成南部沿岸水体营养盐丰富，微生物活动比较活跃，浮游动植物死亡分解后会产生大量类色氨酸等类蛋白物质，而北部湖区(如梅梁湾、竺山湾、贡湖湾)属于典型的藻型湖区，该区域接纳了常州市和无锡市大量的工业废水和生活污水，人为影响较大，再加上太湖受到西北风向的影响，藻类等浮游生物易在北部湖区停留繁殖生长，最终造成类色氨酸物质的增强，这与宋晓娜等的研究结果一致.其中，竺山湾1#水体不仅存在大量T1、T2类色氨酸荧光峰，还出现了代表类腐殖酸的F荧光峰和代表可见区类富里酸的C荧光峰，其相对类色氨酸来说，荧光强度略小，说明竺山湾还有部分外源输入，有研究发现漕桥河和太滆运河是竺山湾的主要入湖河流，尤其是漕桥河位于常州市武进区与宜兴市的交接处，工业排放密集，导致携带大量DOM的工业废水和生活污水进入河道，再流入竺山湾，最后导致竺山湾的类腐殖酸物质和类蛋白物质均较高，使其DOM兼具了陆源与生物来源的双重特性.

　　　　　　表3 太湖水体DOM荧光峰位置及强度

　　已有研究表明，在藻类爆发期间太湖水体主要以类色氨酸荧光物质和类酪氨酸物质等类蛋白物质为主，但本研究中只出现了类色氨酸荧光物质，这可能是因为5月下旬，太湖藻类处于生长初期，还未达到藻类爆发高峰时期，藻类死亡腐烂分解还在湖水自净的承受范围之内，部分类酪氨酸物质浓度低于荧光光谱检测限导致未检测出来.

　　3.3 太湖水体DOM污染来源分析

　　荧光指数(Fluorescence Index，f450/500)定义为激发波长为370 nm时，发射波长在450 nm与500 nm处的荧光强度比值.该指数通常用来研究和表征DOM中腐殖质的来源.陆源和生物来源DOM的f450/500值分别为1.4和1.9(Jaffé et al.， 2004).由表 4可见，竺山湾f450/500为1.53±0.06，接近陆源f450/500值(1.4)，而梅梁湾f450/500最高(1.75±0.58)，其次是贡湖湾和南部沿岸，这表明梅梁湾受内源污染较大，梅梁湾、贡湖湾等北部湖区和南部沿岸属于典型的藻型湖泊，其藻类等微生物活跃，造成水体类蛋白物质丰富，而竺山湾受到城市等工农业及生活用水的排放，使得该湖区具有陆源与生物内源双重性质，且接近陆源特征.其中，竺山湾1#点DOC浓度达到(7.13±2.45)mg · L-1，为全湖最高，这也说明其有机物浓度最高，污染最为严重;其次是东太湖，该区域是典型的草型湖泊，水生植物旺盛，其有机碳来源和含量较丰富，这与湖泊类型和水生植物有机碳输入密切相关.而UV254可表征溶液中芳香性和具有双键结构的物质含量，疏水性的物质易被吸附，而芳香性和具有双键结构的物质是构成疏水性物质的主要组分.UV254作为有机物检测的重要水质指标，可替代COD和TOC评价溶液中有机物含量.如表 4所示，UV254从高到低为竺山湾>梅梁湾、贡湖湾>湖心区>南部沿岸>东部区>西南湖区>东太湖，竺山湾最高可能是由于外源输入的腐殖质一般为疏水性物质，而东太湖最低与该湖区生态环境有关，水生植物茂密，腐烂分解后，易被水体中微生物分解利用的亲水性物质释放到水体中，因此代表疏水性质的UV254值较低.另外，荧光指数、UV254以及DOC浓度的分析结果与太湖各采样点水体3DEEEM表征结果所反映出来的特征基本一致.

表4 太湖水体荧光指数、UV254和DOC浓度

　　3.4 太湖藻类、水生植物降解以及沉积物释放对水体DOM荧光特征的影响

　　在培养前(0 d)，太湖采集的藻类样品水溶解性有机质出现了7类荧光峰，分别是代表类腐殖酸的F峰，类富里酸的C、A峰，类酪氨酸的T1、T2峰和类色氨酸的B1、B2峰，藻类死亡腐烂分解后产生的DOM中具有类色氨酸和类酪氨酸等类蛋白物质，这与藻类等残骸含有大量蛋白质密切相关.在经过10 d的自然降解后，藻类DOM中类蛋白荧光物质中的紫外区类色氨酸B2和类酪氨酸T2荧光峰消失，同时，其他荧光峰的荧光强度均有不同程度的降低.其中，紫外区与可见区的类富里酸降解率最大，分别降解了70.3%和41.0%.这说明在藻类自然死亡腐烂分解的过程中，自身的部分类蛋白物质和部分类富里酸物质在细菌等微生物的作用下逐渐降解，这部分营养物质可能进一步释放至水体或在表层沉积物中累积，并造成水体及湖泊生态环境的二次污染.水生植物DOM中出现的荧光峰较少，分别为代表类腐殖酸的F峰和陆源类腐殖质的M峰，其中类腐殖酸出现了两处荧光峰位置，分别为Ex/Em=450/530和410/480.这与Qu等研究报道的滇池水生植物中DOM荧光峰特征类似.在水生植物及其DOM自然降解后，F峰合成为一个荧光峰，荧光波长稍有偏移，出现在Ex/Em=410/470，而M峰消失.对水生植物的荧光强度变化进一步研究表明消失的M峰荧光强度恰好与F峰荧光强度的增加等量.这暗示了在水生植物来源的DOM自然降解过程中，陆源类腐殖质M峰向着类腐殖酸F峰转化，形成更稳定的高分子聚合物，因此水生植物残骸对水体二次污染的贡献率低于藻类腐烂残骸.当然，水生植物的腐烂分解过程也会向水体释放DOM，且随腐解时间的长短变化不同，生物量越大，其释放的TN越多，对水质的影响越大，随着腐解时间越长，DOM结构越复杂，腐殖化程度越高.

　　除了藻类和水生植物死亡腐烂分解产生的DOM会进入湖泊水体中，沉积物向上覆水体的释放作用也不容小觑，在沉积物培养前(0 d)，沉积物来源的DOM出现了5类荧光峰，兼具外源污染的类富里酸荧光C峰和A峰，也同时含有生物来源的B1、B2、T2类蛋白荧光峰，这表明水体、藻类或水生植物残体中的有机物通过沉降作用部分沉积在表层沉积物中，间接反映了沉积物中DOM的来源.培养10 d后，沉积物DOM中的类蛋白荧光T2峰全部消失，B1和B2荧光物质的降解率分别高达86.5%和82.5%，而类富里酸荧光C峰和A峰略有上升，分别上升25.1%和1.5%,这是由于类蛋白荧光峰(包括T1、T2、B1和B2峰)由一些带有荧光基团(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)的氨基蛋白酶和多肽等较为简单分子结构、分子缩合度较低的有机物质组成，因此易于降解.而类富里酸荧光峰的略微上升，可能是少部分类蛋白物质向着类富里酸物质转化.洱海沉积物DOM也有类似规律，其沉积物在培养17 d后，部分类蛋白荧光峰向类富里酸物质迁移转化.有部分类蛋白物质向类富里酸物质(C、A峰)转化，大量类蛋白物质(T2、B1、B2峰)降解并消失，这一部分类蛋白物质在湖泊沉积物-水体界面中，很有可能在微生物作用下向上覆水体释放，造成上覆水体类蛋白物质增多，最终使得太湖各个湖区水体DOM主要以类蛋白物质为主.

　　4 结论

　　1)太湖水体、藻类、水生植物和沉积物DOM出现8种荧光组分，主要为类腐殖质、类富里酸和类蛋白物质(包括类色氨酸和类酪氨酸)，其中太湖水体主要以类色氨酸物质为主，且荧光强度南部沿岸>北部湖区(竺山湾、梅梁湾、贡湖湾)>其他湖区，这与太湖南部沿岸和北部湖区大量工业废水和城市生活污水密集排放有关，其中竺山湾DOM兼具陆源与生物来源(藻类死亡腐烂分解)的双重特性.

　　2)太湖藻类DOM组成丰富，自然降解过程中，大量类蛋白物质和部分易降解的类富里酸物质向水体中释放，易造成水体及湖泊生态系统的污染，为藻类循环往复爆发提供充足的物质基础，而水生植物腐烂分解后DOM释放量相对藻类较小，其逐渐转化为更为稳定的类腐殖质.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

　　3)除了藻类和水生植物腐解后对水体内源污染有贡献以外，沉积物释放也会影响水体DOM组成结构和分布规律，随着沉积物降解时间的增长，大量类蛋白物质向上覆水体中释放，部分类蛋白物质向类富里酸物质转化.因此，太湖水体-藻类-水生植物-沉积物在微生物以及各种酶的作用下各内源组分相互迁移转化，共同构成了复杂且有机的湖泊生态系统.