太湖水体溶解有机质的三维荧光光谱研究

太湖水体溶解有机质的三维荧光光谱研究

1复配与荧光分析技术溶解有机质（ri）是水生生态系统中的一个重要而活跃的化学成分。在水环境中，aps对水体中的酸和养分特征、养分有效性和污染物质的环境行为具有重要影响，如污染物质的毒性、偏移转化特征和生物多样性（dannizhangetal.，2002）。同时，它对水环境中重金属元素和有机污染物的转移行为也有重要影响（谢菲等人，1973）。在湖泊生态系统中，apm可能会影响湖泊系统的各种物理、化学和生物过程（吴凤昌等人，2008）。例如，为异基因微生物提供所需的能源，调节湖水ph，并与金属离子（如铁、铜、铜、锌、铅等）或讨厌的有机污染物（如ddt、pah等）相互作用，从而影响水体的转移、毒性和生物利用（沈红等，1999；wetal.，2001；傅平青等，2004）。目前,对DOM进行分析的手段很多,包括红外光谱、核磁共振、色谱-质谱联用、荧光分析技术及各种荧光光谱技术,如荧光激发光谱、荧光发射光谱、同步荧光光谱及三维荧光光谱等被广泛用于描述DOM的物理化学特性.与其他研究方法相比,荧光分析技术具有灵敏度高、选择性高、信息量高、所需样品量少且不破坏样品结构的优点(傅平青,2005),它可以揭示水中DOM的分类,描述其组成并解析其环境归趋(Ahnetal.,2002).三维荧光技术(3DEEM)能够获得激发波长和发射波长同时变化时的荧光强度信息,能够对多组分复杂体系中荧光光谱(发射/激发,Ex/Em)重叠的对象进行光谱识别和表征,是一种很有效的光谱指纹技术,因此,也越来越广泛地用于天然水体DOM的研究中(Cobleetal.,1996;Baker,2001;傅平青等,2007).近年来,国内学者利用三维荧光技术对各种天然水体中的溶解性有机质开展了大量研究(季乃云等,2006;王志刚等,2006;傅平青等,2007;谢志刚等,2009).目前,对太湖溶解性有机质的研究多集中在有色溶解性有机质(CDOM)方面,如张运林等(2007)分析了太湖夏季、冬季CDOM的特征及其可能的来源,发现夏季CDOM吸收系数、叶绿素a浓度均明显高于冬季,认为夏季浮游植物降解产物可能是水体中CDOM的重要来源,而冬季CDOM的来源可能主要以陆源为主,受入湖河流的影响较大;刘明亮等(2007)应用吸收和三维荧光光谱对夏季太湖入湖河口和开敞区有色可溶性有机物(CDOM)浓度及来源进行了研究.总体而言,有关太湖DOM的研究资料并不多,且已有研究多是针对局部湖区进行的.基于此,本文以整个太湖为研究对象,应用三维荧光技术,通过分析太湖不同湖区溶解性有机质的三维荧光光谱特性,结合太湖入湖河流情况,讨论太湖不同区域溶解性有机质的分布特征、组成特征和来源等,以期了解DOM在整个太湖的分布和来源情况,为进一步揭示溶解性有机质在全太湖的环境行为特性,对其它污染物环境行为的影响,以及对水体富营养化的贡献等提供基础资料.2材料和方法表面活性剂2.1采样点布设2009年9月在全太湖布设125个采样点(图1),每个样点分别采集表层(0.5m)与底层(1.5m)水样,各层均分别取2个平行样.水样装入预先处理过的水样瓶中,当天用冰袋保藏送回实验室,4℃冷藏保存,准备测试.DO、pH、透明度及水温等水质基本参数现场测定.采样期间,由于东太湖的东部湖区生长着大量的水草,采样船只无法进入,所以,本研究中东太湖东部没有布设采样点.2.2样品处理和分析2.2.1维荧光分析所有样点的各平行水样用0.45μm玻璃纤维滤膜(预先于450℃灼烧)过滤,用于DOM的三维荧光光谱特征分析及各种不同形态碳、氮、磷的测定.所用化学药品如过硫酸钾、硝酸钾、氯化铵、氢氧化钾、氢氧化钠、碘化钾、氯化汞、酒石酸锑钾等均为分析纯.2.2.2方法的精密度、稳定性和准确度DOM的三维荧光光谱测定在HitachiF-4500型荧光光谱分析仪上进行.激发光源:150W氙弧灯;PMT电压:700V;信噪比>110;带通(Bandpass):激发波长λEx=5nm,发射波长λEm=5nm;响应时间设为自动;扫描速度:1200nm·min-1;扫描波长范围为:λEx=200～400nm,λEm=220～600nm;扫描光谱进行仪器自动校正.分析中为了消除仪器误差,采用Hoge等(1993)和Wada等(2007)提出的方法对荧光强度进行定标处理,即将0.01mg·L-1硫酸奎宁溶解在0.05mg·L-1的硫酸中定义为10个标准化荧光单位,可表示为:Fn(355)=[(Fs/Rs)/(Fqs/Rqs)]×10(1)式中,Fn(355)为10个标准化荧光单位;Fs、Fqs分别为样品和硫酸奎宁355nm激发波长、450nm发射波长的荧光信号;Rs、Rqs分别为样品和硫酸奎宁355nm激发波长、405nm发射波长的水拉曼信号.为保证检测结果的准确度与精密度,进行了方法空白和平行样的测定,空白为Milli-Q超纯水.实验过程中,每隔5个样品使用Milli-Q超纯水的拉曼光谱强度监控荧光仪的稳定性,没有发现明显的仪器误差;平行样的相对标准偏差参照有关研究(季乃云等,2006)控制在8%以内.不同形态碳、氮、磷的测定方法均采用《水和废水监测分析方法(第4版)》中相关方法,如TN测定采用碱性过硫酸钾氧化-分光光度法;NH+4测定采用纳氏试剂法;NO-3测定采用分光光度法,测定过程中采取絮凝共沉淀和大孔中性吸附树脂进行处理,以排除样品中有机物等的干扰;TP测定采用钼酸铵分光光度法;TOC/DOC测定采用高温催化氧化法,将水样经0.45μm玻璃纤维滤膜过滤后用岛津VCPH型仪器进行测定,其检出限为0.06mg·L-1,在0～100mg·L-1范围内相对标准偏差控制在2%以下,使用一系列不同浓度(0、2.0、5.0、10.0、20.0、40.0、100.0mg·L-1)的邻苯二甲酸氢钾溶液作为有机碳标准.分析时每个平行样重复测试2次,即每个样点的表层(或底层)水样各指标均获得4个测试值.讨论中使用r(A,C)值表示紫外区类富里酸峰中心位置的荧光强度与可见区类富里酸峰中心位置的荧光强度比值,它是一个与有机质结构和成熟度有关的指标,并且与有机质的分子大小、pH等有关.r(A,C)值的变化直接说明了在DOM中至少含有两种类型的富里酸荧光基团,如果只含有一种基团,则r(A,C)应该为一定值,不同来源DOM的r(A,C)值相差显著(Cobeletal.,1996).荧光指数(FluorescenceIndex)f450/500定义为激发光波长为370nm时,荧光发射光谱强度在450nm与500nm处的比值.Battin(1998)和McKnight等(2001)利用该指数来研究和表征DOM中腐殖质的来源.陆源DOM和生物来源DOM这两个端源f450/500值分别为1.4和1.9(Jaffeetal.,2004).2.3处理数据数据统计和分析在SPSS13中完成,区域分析图在Surfer8中完成.3结果结果3.1不同片区的表层利用地球化学特性对比分析了太湖125个样点表层和底层水样DOM的三维荧光光谱特征,结果发现,表层及底层水样DOM的荧光峰类型相似,主要有4类:类蛋白峰(D峰)、类蛋白峰(B峰)、紫外区类富里酸峰(A峰)、可见区类富里酸峰(C峰).这与刘明亮等(2009)对太湖CDOM三维荧光光谱分析得到的荧光峰类型一致.一般认为,A、C峰反映的是外源输入的腐殖酸和富里酸形成的荧光峰值,与类富里酸荧光和腐殖质结构中的羟基及羧基有关(Wuetal.,2001;傅平青等,2004b);而B、D峰则均属于类蛋白荧光峰,B峰反映的是生物降解来源的色氨酸(傅平青等,2005),与DOM中的芳环氨基酸结构有关;荧光峰D反映的则是生物降解来源的酪氨酸形成的荧光峰,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(Chenetal.,2003).图2是不同湖区代表性样点的表层DOM三维荧光光谱图.从图2中可以看出,太湖水体DOM的4类荧光峰的中心位置分别为:①类蛋白D峰:λEx/λEm=230～240nm/330～350nm;②类蛋白B峰:λEx/λEm=270～290nm/300～310nm;③紫外区类富里酸A峰:λEx/λEm=230～255nm/400～460nm;④可见区类富里酸C峰:λEx/λEm=280～310nm/380～455nm.另外,不同湖区DOM的各类荧光峰强度及中心位置也存在一定的差别.在竺山湾湖区,以紫外区的类富里酸A峰最为显著,类蛋白峰(D峰)次之,与其它湖区水体DOM的荧光峰的中心位置相比,竺山湾水体DOM的各类荧光峰的中心位置均存在一定红移;而在其他湖区以类蛋白峰(D峰)最强,紫外区与可见区的类富里酸峰均不是很明显,在波长λEx/λEm=230～255nm/400～460nm和280～310nm/380～455nm范围内存在着比较宽的峰带.3.2火炬树花溪造园类蛋白峰荧光强度分析了太湖125个采样点DOM的类蛋白峰荧光强度(图3)和类富里酸峰度荧光强度(图4)的分布特征,并分析了各个湖区DOM荧光强度的均值(表1、2).结果显示,全太湖表层和底层水体DOM的各类荧光峰强度变化趋势基本相同,除竺山湾外,表层各类荧光峰强度略小于底层,在全太湖的变化趋势为:竺山湾湖区>西部湖区>梅梁湾>湖心区>贡湖湾>南部湖区.从荧光强度均值来看,西部湖区的各类荧光峰比梅梁湾荧光峰略强,而湖心区、贡湖、南部湖区DOM的4类荧光峰强度值无显著差异.竺山湾各类荧光峰强度明显高于其他湖区(p<0.01),全太湖最强的类蛋白荧光峰与类富里酸峰均分布在竺山湾最北部同一个采样点,其表层最高荧光强度(无量纲)分别为:756.80±12.05(峰D)、576.20±10.98(峰B)、829.90±10.68(峰A)、246.30±11.66(峰C).竺山湾最北部的3个样点DOM的紫外区类富里酸峰A强度要显著高于其他荧光峰(p<0.01),而其余采样点的类蛋白峰D强度与紫外区类富里酸峰A强度无显著差异,均表现较强,类蛋白峰B次之,峰C最弱.4类荧光峰强度从北向南呈逐渐减小的趋势.另外,竺山湾湖区表层类蛋白峰荧光强度要大于底层类蛋白峰荧光强度(p<0.01);在西部湖区,4类荧光峰强度顺序为峰D>峰A>峰B>峰C(p<0.01),均呈现出从西向东逐渐降低的趋势,越靠近湖心区,其表层和底层水体DOM的类蛋白峰荧光强度越低;而在梅梁湾、贡湖湾、湖心区及南部湖区,4类荧光峰强度顺序为峰D>峰B>A>峰C(p<0.01),其中,梅梁湾DOM的4类峰强呈现出从湾内向湾口逐渐降低的趋势,最高值出现在靠近直湖港入湖口的采样点处,最低值则在南部湾口处,普遍是西部比东部高(p<0.01),这与张运林等(2005)对梅梁湾CDOM吸收系数的研究基本一致.贡湖湾、湖心区和南部湖区DOM荧光峰强度无显著空间差异.3.3峰强度与相关指标相关性分析对太湖125个点位表层及底层水体DOM的4类荧光强度分别与TN、TP、NO-3、NH+4、DO、DOC做相关性分析.经K-S检验,上述几个指标均满足正态分布检验(p>0.05),故采用Pearson相关性分析,结果见表3(表层)、表4(底层).分析显示,4类峰强度之间呈显著正相关关系,同时,4类峰强度与TN、TP、NO-3、NH+4均呈显著正相关关系,与DO呈显著负相关关系,而与DOC相关性不显著.3.47之间计算了太湖水体DOM的r(A,C)值和f450/500值(表5),结果表明,表层水体r(A,C)值在1.10～2.36之间,f450/500在1.54～1.96之间;底层r(A,C)值的范围为1.06～2.20,f450/500在1.56～2.12之间.不同湖区的r(A,C)、f450/500值的变化范围不同,其中,北部湖区和西部湖区的表层及底层水体DOM的r(A,C)值在分布均较宽,说明其DOM来源比较复杂.而东太湖和湖心区r(A,C)值变化幅度不大,说明其DOM来源相对比较单一.竺山湾和西部湖区的f450/500值接近陆源特征值,而其他湖区的f450/500接近内源微生物降解特征值.4讨论4.1雨水作为湖泊水体利用全太湖表层及底层水体DOM表现出较强的类蛋白峰(尤其是D峰),而除竺山湾之外的大部分湖区表层及底层水体均表现出较弱的类富里酸峰,说明太湖大部分湖区DOM主要以类蛋白物质为主,而竺山湾湖区DOM中的腐殖质及类蛋白物质均占相当大的比重,这也与刘明亮等(2009)研究太湖CDOM的三维荧光峰强度时所得出的结论一致.由于荧光强度反映DOM浓度,因此,荧光强度的变化也能反映出水体受污染的程度(张运林等,2006).而荧光峰强度的区域分布差异可能是由于DOM在不同湖区的来源差异导致的.一般来讲,湖泊水体中DOM的来源可分为内源和外源,内源与生物活动密切相关,主要为水体中的浮游动植物有机体光降解(Vodaceketal.,1995)、细菌降解(Nelsonetal.,2004)、浮游动植物和浮游细菌细胞渗漏等(Hendersonetal.,2008;Tzortziouetal.,2008);而外源主要为地表径流引起的周围土壤中动植物残体及有机质的汇入以及工农业污水、生活污水的排入,此外,河水输入也是湖泊DOM的重要外源(Vantrepotteetal.,2007;Wadaetal.,2007).另外,最近一些报道中指出,雨水也会成为湖泊水体DOM的外界来源(Kiegeretal.,2006;Milleretal.,2009).通常,天然水体DOM中的类蛋白物质主要是由微生物降解产生,但水体受到污染后,其类蛋白物质也会增多,而水体中的类腐殖质除了来源于浮游植物外(Zhangetal.,2009),最主要的来源就是陆源输入(Rochelle-Newalletal.,2002).结合太湖的情况和本研究中图3、图4中各类荧光峰强度分布特征及表5中不同湖区r(A,C)和f450/500值的变化,也可以说明太湖DOM来源的区域差异性.例如,北部湖区(包括竺山湾和梅梁湾)及西部湖区的r(A,C)值分布较宽,表明其来源比较复杂,同时具有陆源与内源两种特征.结合太湖本身及周边情况,一方面,竺山湾等北部和西部湖区属于典型的藻型湖泊,微生物活动比较活跃,藻类死亡分解后会产生大量的类蛋白物质,成为DOM的主要内源;另一方面,竺山湾等北部湖区接纳了常州市和无锡市大量工业废水及生活污水,使大量的DOM进入湾内,同时,西部湖区靠近宜兴市,受人为干扰较大,且分布着大量的入湖河流(如大浦河等),使其类蛋白物含量较高.另外,西部湖区周围主要为农田,所以,农村地区的土壤、农田堆肥和腐烂植物等中的腐殖质会随雨水和灌溉水等进入西部湖区(沃飞等,2007).这些陆源输入是竺山湾等北部及西部湖区重要的外源DOM,也是导致竺山湾DOM浓度在全太湖表现为最高的重要原因.陆源输入的影响还可以通过对比湖区和入湖河流的DOM特征加以证明.本研究采样过程中,在进入竺山湾的漕桥河和太滆运河入湖口上游3km处的河道内布设一个采样点(图1),通过测定此点DOM的三维荧光发现,其各类荧光峰强度值均比太湖竺山湾高,并且此点的最高峰也表现为紫外区类富里酸峰.太滆运河、漕桥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(张运林,2006),导致携带大量DOM的工业及生活污水进入河道,因此,河道DOM明显高于竺山湾.河道中水样DOM的f450/500=1.46(表层),1.52(底层),低于竺山湾的平均值(p<0.01),也表明其较单一的陆源特征.虽然北部湖区和西部湖区的DOM来源具有陆源及内源的双重特征,但这两种来源在不同湖区对DOM的贡献程度是有区别的,这也是太湖DOM表现出区域差异的一个原因.例如,对比北部湖区的竺山湾、梅梁湾和贡湖湾DOM的r(A,C)和f450/500值(表5)可知,竺山湾的r(A,C)值范围大于其它2个湖区,且f450/500值低于其它2个湖区,说明竺山湾DOM来源相对复杂且以陆源为主.而对比梅梁湾和贡湖湾发现,两湖区水体DOM的f450/500都在1.7以上,靠近内源值,说明梅梁湾和贡湖DOM的来源以内源微生物降解为主;同时,对比两湖区DOM的r(A,C)范围发现,梅梁湾的r(A,C)范围比贡湖相对较宽,而且梅梁湾DOM的4类峰强度均呈现从湾内向湾口逐渐降低的趋势,且最高值出现在靠近直湖港入湖口的采样点处,说明梅梁湾DOM的来源较贡湖湾DOM的来源复杂,除了受内源影响外,也会受到直湖港及梁溪河等陆源的影响(图1).贡湖湾虽然有望虞河流入,但自从2007年6月份之后望虞河一直在引江济太(刘明亮等,2009),河水被稀释,对贡湖DOM的来源影响减小.湖心区和南部湖区类蛋白峰及类富里酸峰的荧光强度均较低,说明其含有的类蛋白物质及腐殖质都较少,r(A,C)值变化幅度较其它湖区低,比值相对稳定,f450/500在1.75以上,表现出内源特征值,说明这2个湖区的DOM来源比较单一,且以内源为主.这与两湖区外来污染相对较少,水质较好有关.太湖表层和底层水体DOM分布无明显的区域差异.除竺山湾外,一般底层水体DOM各类荧光峰强度要大于表层,一方面可能是由于底层受底泥和孔隙水中的有机质释放影响较大,使其DOM含量升高;另一方面是表层直接受到阳光照射,使得部分DOM产生光降解造成DOM浓度偏低(冯胜等,2006).而在竺山湾则相反,其表层水样DOM的荧光峰强度要大于底层,本文认为,这可能是由于竺山湾受工业废水及生活污水等外源的影响较大,导致其表层DOM浓度比底层高.4.2荧光峰强度与39d-pc的相关性太湖表层及底层水体4类峰强度之间均呈显著正相关关系,说明DOM中的类蛋白物质与类富里酸物质在组成上和来源上具有某种联系,但由于DOM组成的复杂性,这种来源上的关系仍需进一步研究.4类峰强度与TN、TP、NH+4及NO-3等营养盐呈显著正相关关系,说明DOM与N、P元素的迁移、转化行为也紧密相关.4类荧光峰与DO呈显著负相关关系,其原因很可能是水体DOM越高,微生物活动越频繁,从而会消耗大量的溶解氧,因此,可以推断,DOM浓度的升高也是导致水体DO含量减少的一个原因.本研究中,DOM4类荧光峰与DOC相关性不显著.许多文献也对DOM荧光峰强度与DOC的相关性做了分析,其中,很多研究认为二者有显著的相关性甚至存在线性关系,如Mart等(1976)的研究表明,DOM的荧光强度与DOC之间存在线性关系;Senesi等(1990)指出,同一荧光峰的荧光强度与DOC浓度之间呈显著正相关关系,但不是线性关系.但也有不少研究发现二者并没有显著的相关性,如Stewart等(1981)通过研究吸光度、荧光和DOC三者之间的关系时发现,荧光强度与DOC之间的相关性不显著,并不能够用荧光强度来预测DOC浓度;Chen等(2002)的实验结果显示,某些