南明河沉积物孔隙水中溶解有机质的光谱特性

谢伟芳，阮小燕，胡继伟

（1.江苏城市职业学院 城市科学系，江苏 南京 210017；2.南京信息工程大学 环境科学与工程学院，江苏 南京 210044；3.贵州师范大学省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001）

1 引言

天然溶解有机质（Dissolved Organic Matter，DOM）是指能通过 0.45μm 微孔的有机物质［1，2］，主要是由动植物自身产生的有机物和由土壤中的有机物经过淋滤迁移到水中的有机物组成［3］。由于近年来人类生产、生活对河流造成了很大的化学干扰，河流的沉积物，尤其是表层沉积物，有机质含量大大增加。在河流上覆水与沉积物的相互作用过程中，沉积物中相当部分的污染物会重新释放到水中，成为河流中潜在的“化学定时炸弹”。在某些情况下，由于河流系统的物理化学条件发生突变，可能造成河流沉积物中累积的污染物大量释放回水体，造成污染事故，而污染物释放回水体是通过水－沉积物的交换反应在液相与固相间迁移，所以对沉积物中孔隙水的研究是掌握溶解有机质情况的良好方式。大量研究表明DOM在水体生态环境中起着重要的作用，它可以和金属离子相结合而减小它们的生物有效性和对水生生物体的毒性；同时DOM还可以与有机和无机污染物结合，增大它们在水中的溶解性和迁移转化能力［4］。

紫外－可见吸收光谱是最早应用于表征腐殖质光谱特性的分析方法之一，由于DOM中含有各种亲水性有机酸、氨基酸、碳水化合物以及腐殖酸和富里酸等，通常其吸光度值随着波长减小而增大，且没有特征峰值。同时研究认为［2］E3／E4（a300／a400）是衡量腐殖质的腐殖化程度、芳香性以及分子量等有关的参数，且认为随着E3／E4的减小，腐殖质的腐殖化程度、芳香性及分子量相对增大。

荧光光谱特征也是表征天然水体中DOM以及评估其来源的重要参数［5］。三维荧光光谱可以检测到DOM中不同类型的荧光峰，如类富里酸、腐殖酸的荧光等［6］。荧光光谱技术研究腐殖质是基于其结构中含有大量带有各种官能团的芳香环结构以及未饱和脂肪链。并且由于荧光光谱技术具有灵敏度高，选择性好，且不破坏样品结构、需样品量少和方法简单等优点，因此，适合用来研究腐殖质的化学和物理性质。腐殖质内含有几种不同的荧光基团，其荧光特性包含了与结构、官能团、构型、非均质性、分子内与分子间的动力学特征等有关的信息，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［7］，以期揭示不同类型荧光DOM的来源、化学结构特征及其在环境中的各种地球化学行为。

南明河为长江流域乌江水系清水河的源头河流，贯穿贵阳市城区，是发源于贵州省平坝县林卡乡的百泥田，自贵阳市花溪区中曹乡大陡坡进入城区西南段，东北向流经南明、云岩两城区，于云岩区黔灵乡大凉口附近进入乌当区姜渡寨出境，主体自西向东至开阳、龙里、福泉三县交界的两岔河与独木河相接注入清水河，全长118km，城区段（花溪大桥－水口寺）24.7km，多年平均流量29.4m3／s。南明河水口寺以上河段主要支流有：车田河、小车河、市西河、贯城河。河流上游已建成松柏山、花溪、阿哈、小关、黔灵湖等5座水库，这5座水库为贵阳市的防洪、灌溉、城市供水提供了有利条件［8］。

但是近年来，由于城市的发展、人口的增加以及受城市生活污水和工业废水等污染，致使水体污染加剧，降低了河流的自净能力，对生态系统及人类的生存环境产生严重的影响。南明河作为贵阳市的主要排污河流，从上游至下游总的污染趋势为：无污染－污染－轻度污染。从20世纪70年代开始，南明河逐渐变黑发臭。到90年代，南明河污染状况已经触目惊心：沿河两岸近百个生活污水和200多家工业企业排污口，每天向河中倾泻45万t生活污水和工业废水；沿岸到处是煤灰垃圾，破烂的棚户区遍布河道两岸；河水水质严重恶化，鱼虾绝迹，进入市区的河段为劣五类水体。

本文选择南明河为研究对象，运用紫外－可见吸收光谱和荧光光谱技术，研究和描述南明河沉积物孔隙水中溶解有机质的光谱特征，揭示不同类型荧光DOM的主要的化学组成、来源和污染源种类。

2 实验部分

2.1 样品采集与处理

根据南明河各主要支流位置、水体流向和结合当地污染源的分布情况，于2008年7月，在贵阳近郊的南明河共采集了10个点 （图1）。样品采用抓斗进行采集，在野外采集后，迅速装入棕色带塞磨口瓶中带回实验室，在室内使用离心机对样品进行分离，取上层水，水样采集后马上用0.45μm醋酸纤维滤膜进行过滤，并储存在5℃的冰箱内供分析备用。

图1 南明河采样点分布

2.2 仪器与试剂

Cary Eclipse荧光分光光度计（美国，瓦里安公司）；Cary100紫外－可见分光光度计（美国，瓦里安公司）；精密级数字式酸度计PHS－3C（上海虹益仪器仪表有限公司）；EHSY抽滤瓶，SHE－III型循环水真空泵；HS7240B超声波清洗器（天津市恒奥科技发展有限公司，功率：240W，频率：40kHz）；Human Nex Power 2000水纯化系统；ETM－2020采水器（DI：15cm，H：40cm）

2.3 光谱表征

2.3.1 紫外－可见光谱

室温下将水样置于1cm光程的石英样品池中，用紫外－可见分光光度计进行样品吸光度测定，设置波长分别 为 a300nm／a400nm （E3／E4）；254nm（a254）和280nm（a280），用超纯水作空白，对其进行吸光值测定。

2.3.2 荧光光谱

荧光光谱测定在Cary Eclipse型荧光光谱分析仪上完成，具体参数如下。

在做小河平桥的3D图中其参数如下：闪烁式氙灯；PMT电压600V；激发波长200～500nm；发射波长200～600nm；激发递增10nm；激发狭缝为5nm，发射狭缝为5nm；扫描速度：600nm／min；平均时间0.1000s；数据间隔1.0000nm。

对于传统的荧光发射光谱（南明河沉积物孔隙水发射光谱叠加图），其具体参数如下：闪烁式氙灯；PMT电压600V；Ex＝240nm，Em＝250～600nm；激发狭缝为5nm，发射狭缝为10nm；扫描速度：600nm／min；平均时间0.1000s；数据间隔1.0000nm；选项：重叠图谱。

对于荧光指数f450／f500（fluorescence index），其参数如下：闪烁式氙灯；PMT电压600V；Ex＝370nm，Em＝450～500nm；激发狭缝为5nm，发射狭缝为5nm；扫描速 度：600nm／min；平 均 时 间 0.1000s；数 据 间 隔1.0000nm。

室温下，将水样置于1cm石英荧光样品池中测定，测定前保持温度恒定，空白为超纯水。

3 结果与讨论

3.1 紫外－可见吸收光谱

据E3／E4（a300／a400）是衡量腐殖质的腐殖化程度、芳香性以及分子量等有关的参数［2］。应用紫外－可见分光光度计对10个样品进行检测，其结果见表1。

表1 南明河沉积物孔隙水中DOM E3、E4和E3／E4（a300／a400）的值

由图2可知：南明河孔隙水DOM的E3／E4值范围在2～7之间，绝大多数在3～5之间（图2），而一般腐殖酸的E3／E4值小于3.5，富里酸的E3／E4值大于3.5［4］，因此可以推断：孔隙水 DOM 腐殖化程度比较不高、芳香性较小，而分子量分布应该以小分子量的富里酸为主，大分子量的腐殖酸含量相对较少。

从图2可知南明河沉积物孔隙水DOM的E3／E4值最大的是2（上水村），表明上水村的腐殖质的腐殖化程度较小，相反1（花溪桥）和10（东凤镇）两地的腐殖质的腐殖化程度较大，很可能是因为这两个地方是居民聚集地，受到生活污水的污染。根据上面采样点分布图，可知南明河近期受到的污染属于点污染。

图2 南明河沉积物孔隙水DOM的E3／E4值

傅平青等［9］用实验证明了DOM中的主要组分如腐殖酸、富里酸以及一些芳香性氨基酸等所带的苯基、苯羧基、苯羟基等基团在254nm （a254）和280nm（a280）波长具有强的吸收，其吸光度值分布特征与DOC的分布特征类似。据此也对南明河不同采样点沉积物孔隙水DOM在254nrn和280nm处吸光度值的分布特征进行了研究（图3），可以推断出DOC浓度从大到小依次是9＞7＞10＞2＞4＞3＞8＞1＞5＞6，从图3可以明显发现7和9这两个采样点的DOC浓度比前面的几个点明显偏高，主要是因为这两个地方是南明区人口相对比较集中的地方，生活污水和工业废水大量排入。而6号点的DOC浓度相对偏低，可能是因为它的上游是阿哈水库（贵阳市的主要饮用水源地之一），受污染较小且水库的水对污染起稀释作用，从而进一步表明南明河主要受到点污染而非面污染。

图3 南明河沉积物孔隙水中DOM在254nm和280nm处吸光度值的分布特征

3.2 荧光光谱

3.2.1 荧光指数的测定

研究表明［10，11］荧光指数（fluoresce index，f450／500）可以用来研究和表征DOM中腐殖质的来源，即f450／f500为激发波长Ex＝370nm时，荧光发射光谱在450nm与500nm处的强度比值。McKnight等［10］提出，陆源DOM的荧光指数为1.4和生物来源DOM的荧光指数为1.9。

本文中南明河沉积物孔隙水DOM的f450／f500值更接近于1.5，说明其DOM中的腐殖质主要来源于陆源输入。南明河沉积物孔隙水DOM的f450／f500值的变化趋势见图4。从图4可以看出，南明河沉积物孔隙水DOM的荧光指数处于1.401～1.676之间，从整体上看其中沉积物1、8号样品沉积物孔隙水中DOM的f450／f500值较大，分别为1.623、1.676；较洁净的2号点的f450／f500值为1.401。总体而言，南明河沉积物孔隙水 DOM 的f450／f500值更接近于1.5，说明其DOM中的腐殖质主要是陆源输入，即南明河主要受到工业污水和生活污水的污染。

3.2.2 小河平桥三维荧光谱图的扫描

图4 南明河沉积物孔隙水中DOM荧光指数变化情况

取南明河中的小河平桥这点进行分析，Ex＝200～500／Em＝200～600，Ex slit＝5；Em slit＝5，发现其图谱中出现4个明显的荧光峰（图5），参考前人的研究结果［12～15］，图6给出了水环境中所有可能出现的可溶性有机污染物荧光峰的大概位置，图中Class I是类腐殖酸荧光（humic－like）；ClassⅡ和Class 1V是类富里酸荧光（visiblefulvic－like and UV fulvic－like）；ClassⅢ是类蛋白荧光（protein－like）。

对天然环境中各种溶解有机质的Ex／Em荧光峰位置进行了总结，对于荧光峰D，由于技术上的原因，过去研究的DOM的3DEEM都从EX＝250nm开始扫描，所以一直没有发现它的存在，直到今年才有Burdige等［16］指出，因此荧光峰D也应该和类蛋白物质有关；综上我们认为峰A和C为可见类富里酸和紫外类富里酸荧光，峰B和D为类蛋白荧光。

从图5中可发现：荧光峰B、D的荧光强度明显强于荧光峰A、C，也就是说该水体中类蛋白的含量明显高于类富里酸。结合所采集水样地形，可知道该水源附近基本没有什么工业，主要是居民区，因此推断该水体中的类蛋白物质主要来源于生活污水。而图4中的采样点4（小河平桥）的荧光指数为1.489，可知其DOM中的腐殖质主要来源于陆源输入，这与我们所推断的结果一致。再者采样点4（小河平桥）的E3／E4值为4.722，说明小河平桥沉积物孔隙水中DOM 腐殖化程度比较不高、芳香性较小，而分子量分布应该以小分子量的富里酸为主，这与图7中所推断的类富里酸荧光峰A和C的结论相一致。

图5 小河平桥沉积物孔隙水中DOM的三维荧光谱图

3.2.3 南明河沉积物孔隙水中DOM发射图谱叠加图

图6 水环境中溶解有机质三维荧光峰λex／λem常见位置

现设定：EX＝240／EM＝250～600，EX slit＝5；Em slit＝10，（图7）为南明河沉积物孔隙水的叠加图，我们发现该图在A、B、D三个部分其图形基本相同，说明该样品的所含的溶解有机质成分大致相同，且浓度也相近；其中E为倍频峰不予考虑；主要差异是C部分－小分子量的紫外类富里酸，各个样品中该成分浓度差别比较大，其中浓度较大的是3、7、8、9、10，浓度相对较小的有1、5、6。

图7 南明河沉积物孔隙水中DOM发射光谱图的叠加图

4 结语

（1）通过对南明河沉积物间隙水中的DOM的研究发现：其荧光指数（f450／f500值）介于1.401～1.676，接近1.5，表明陆源输入是DOM中的腐殖质的主要来源；同时研究还发现E3／E4值最大的是位于上游的2号点。根据河流地理位置可大致推断出，近期陆源性的点源污染是影响南明河的主要因素。对不同采样点沉积物孔隙水DOM在254nrn和280nm处吸光度值的分布特征进行了研究，推断溶解有机碳浓度依次是水口寺＞湘雅桥＞东风镇＞上水村＞小河平桥＞三江口＞市西河＞花溪桥＞小黄河＞小车河，5和6号点的DOC浓度较小，是因为刚从水源地流出受污染较小，而7、9号点的DOC浓度较大，主要是因为当地为人口密集的居民生活区，更有力证明了南明河主要受到点源污染。

（2）紫外－可见光谱中E3／E4值介于2～7，主要介于3～5，可见样品具有较高的腐殖化程度和芳香性，从分子量分布角度来看，主要以大分子量的腐殖酸为主，而小分子量的富里酸含量相对较少。

（3）本文选用小河平桥，运用三维荧光光谱法对沉积物间隙水中的DOM进行研究，发现图谱中含有4个荧光峰，峰A为紫外类富里酸，峰C为可见类富里酸，峰B和D为类蛋白质。

（4）通过对南明河沉积物孔隙水中DOM发射图谱叠加图的研究，我们发现：叠加图谱表现出较强的相似性，说明整个南明河流域DOM的组成成分相似且浓度也相近，但在C点－紫外类富里酸的浓度差异较大，浓度较大的是3、7、8、9、10，浓度相对较小的有1、5、6，这与应用紫外－可见吸收光谱所推断出溶解有机碳（DOC）浓度（9＞7＞10＞2＞4＞3＞8＞1＞5＞6）的结果大致相符。

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