白水江表层沉积物溶解性有机质荧光特性研究*

黄俊霖 苏 婧 孙源媛 郑明霞 林 兵

(1.中国环境科学研究院，国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室，北京 100012；2.深圳中环博宏环境技术有限公司，广东 深圳 518000)

溶解性有机质(DOM)广泛存在于地表水、土壤、沉积物等自然环境中，是影响多种有机或无机污染物迁移转化与氧化还原状态的重要生化反应电子供体，对生态系统的地球生物化学特征演化具有关键作用[1]。

表层沉积物是上覆水与间隙水的过渡带与相互作用带，上覆水有机物可在潜流交换作用下积累于表层沉积物中[2]。同时，沉积物中微生物的新陈代谢活动又可产生类蛋白与类腐殖质[3]，形成复杂多样的营养源体系。因此，DOM荧光物质结构与组分记录着沉积环境的有机质在自生源与人类活动交互作用下的迁移转化规律[4]。三维荧光光谱(EEM)技术结合荧光区域积分法(FRI)可定性、定量表征不同结构荧光有机物的相对含量，而荧光指数(FI)法则能反映不同荧光组分的来源与转化信息。张海威等[5]采用上述方法探讨了新疆河流DOM的EEM特性，对研究环境特征与有机物空间分布的关系具有重要指示意义。

白水江流域位于云南省昭通市盐津县，流域两侧的庙坝镇和柿子镇存在农业面源、畜禽养殖、生活污水及工业废水等潜在污染风险源，而DOM是城乡发展中经生产、生活排放至自然环境中普遍存在的污染物[6]，对两镇之间的白水江环境质量造成潜在威胁。由于“十二五”期间盐津县经济快速发展导致白水江流域污染负荷日益严峻，目前缺乏有机物污染特征的相关研究。本研究应用EEM技术、FRI和FI法对白水江表层沉积物DOM进行测试分析，验证人类活动对江区表层沉积物DOM荧光物质的贡献作用，从水体基本参数、微生物活动、污水排放量等自然、人为因素探讨其对DOM降解程度的影响，以期为下一步白水江流域综合环境整治工作提供基础数据支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况与样品采集

白水江俗名牛街河，为横江右岸一级支流，金沙江下段水系，发源于贵州省赫章县毛姑村恒底花泥山，流经镇雄县五德镇、罗坎镇，彝良县洛旺乡、牛街镇等乡镇，在柿子镇高坎村花果河进入盐津县，经庙坝、柿子镇两河口汇入横江。

白水江流域属低纬度、高海拔地区，处于四川盆地向云贵高原过渡地带，流域地势东南高、西北低，河流流向与山脉延伸一致，从东南流向西北，主要支流有乌撒溪、温沼河。白水江为山区河流，上游河床坡降陡、落差大，水能资源丰富。盐津县水力资源理论蕴藏量4.7×105kW。河流全长153 km，其中盐津县境内长30 km，常年流量769.0 m3/s，枯水期流量12.5 m3/s。在盐津县境内接纳乌撒溪、流三江、红石溪、熊溪沟等7条小河至柿子镇两河口，注入关河。

2018年3月，在云南省昭通市盐津县内，沿着白水江上游至下游，采用活塞式柱状沉积物采样器采集江岸浅滩区垂直深度0～20 cm的沉积物。样品数量共16组，保存于聚乙烯塑料袋内，低温运输至实验室。利用便携式多参数水质仪(DR900，美国)对沉积物采样断面的水温、DO、pH进行现场测定。其中，采样点1～2位于上游，自然因素占主导作用；采样点3～8、9～16分别位于中、下游，受到庙坝镇和柿子镇生活、农业面源和部分工业污水污染，所采集样品用以研究人类活动对江区表层沉积物有机质空间分布特征的影响。

1.2 样品预处理与分析测试

沉积物有机质含量根据《土壤有机质测定法》(GB 9834—88)中重铬酸钾-硫酸滴定法测定。DOM采用水土振荡法[7]提取：样品经冷冻干燥机(FD-1A-50)干燥48 h后，通过除杂、研磨、过200目筛，每克沉积物加入30 mL 1 mol/L的KCl溶液，在25 ℃、220 r/min下振荡24 h，静置后提取上清液于50 mL离心管中，在3 000 r/min下离心15 min，提取上清液经0.45 μm滤膜过滤。之后利用三维荧光分光光度计(F-7000，日本)完成EEM测试，实验空白为Milli-Q超纯水。扫描条件：激发波长200～450 nm，发射波长280～550 nm，扫描间距5 nm，扫描速度2 400 nm/min，激光光源为150 W氙弧灯，光电倍增管(PMT)电压700 V，信噪比>110，响应时间为自动。

1.3 FRI

EEM根据特定的激发/发射波长与荧光强度将相似物质的荧光峰划分为5个代表性区域(见表1[8-9])，用以区分和表征DOM中具有特定结构的荧光组分。

FRI通过计算区域标准体积来反映具有特定结构荧光物质的相对含量(Φi，n)[10]，计算如下：

(1)

(2)

式中：I(λEx·λEm)为激发与发射波长所对应的相对荧光强度；λEx为激发波长，nm；λEm为发射波长，nm；Pi，n为具有特定结构的荧光物质占总体荧光物质相对含量的比例，%；ΦT，n为总体荧光物质相对含量。

表1 EEM分区与波长范围

1.4 FI法

FI定义为370 nm激发波长下发射波长在470、520 nm处的荧光强度比值，反映了芳香与非芳香氨基酸对DOM荧光强度的相对贡献率，作为衡量DOM来源及降解程度的指标。FI>1.9代表DOM源于微生物活动，具有显著的内源产生特征；FI<1.4则体现源于陆生植物和土壤有机质等外源输入为主的特征[11]。

自生源指数(BIX)定义为310 nm激发波长下发射波长在380、430 nm处的荧光强度比值，是反映DOM类腐殖质自生贡献比例的指标，值越高表明DOM降解程度增加，内源碳产物越容易生成[12]。

新鲜度指数(β/α)定义为310 nm激发波长下发射波长为380 nm处荧光强度与420～435 nm区间最大荧光强度的比值，用于表征新产生的DOM在整体DOM中所占比例，其中β为新近产生的DOM、α为降解程度较高的DOM[13]。

2 结果与讨论

2.1 DOM的EEM特征

白水江表层沉积物DOM的EEM中，各监测断面均出现明显的C4荧光峰(T1)，表明浅滩区表层沉积物的微生物活动旺盛，产生诸如蛋白、辅酶、小分子有机酸及色素等具有特定结构的类蛋白有机物[14]。以各监测断面最大荧光强度的DOM样品(采样点2、5、9)为例，上、中、下游T1的荧光中心位置分别位于λEx/λEm=285 nm/320 nm、280 nm/335 nm、280 nm/335 nm处(见图1)。

从空间差异看，自上游至下游，表层沉积物DOM荧光强度逐渐增强，这可能与中、下游柿子镇、庙坝镇人类活动排放的外源DOM有关。相比上游，中、下游出现C2荧光峰(T2)和C1荧光峰(B)，表明存在含多环芳烃及其芳香性蛋白衍生物的生活污水与工业废水等污染源输入，从而促进表层沉积物中微生物对外源DOM的分解作用[15]。下游采样点9还出现显著的C5荧光峰(C)，荧光中心位于λEx/λEm=355 nm/430 nm处。C5因具有较大的分子量和芳香性，表现为与环氧七氯具有较强的亲和力和结合能力，因此进入下游的农药残留组分可能易在水体-沉积物体系中富集[16]。

2.2 DOM荧光组分含量

由图2可知，白水江上游至下游，总荧光组分、各荧光组分含量均呈现逐渐升高的趋势，与荧光强度特征分析结果一致。由于研究区土壤类型主要为黄壤与紫色土交错分布，表层有机质含量相对较高，成为DOM荧光组分重要的天然来源。上游至下游有机质分别为10.43～10.82、11.87～18.23、12.39～20.95 mg/g，在空间上也呈现递增的分布特征。Pearson相关性分析显示，各荧光组分与有机质含量呈显著正相关(R2为0.726 1～0.913 0，P<0.01)，表明沉积物DOM荧光物质主要存在于有机质中。

图1 白水江表层沉积物DOM的EEMFig.1 EEM of DOM of surface layer sediments in Baishui River

图2 DOM荧光组分的空间差异Fig.2 Spatial differences of fluorescent components in DOM

由于中、下游人口分布较上游密集，采样点周边均为依水而建的村落与城镇，接纳人类活动排放的生活污水与工业废水随着潜流交换和自然沉降进入江区表层沉积物。因此，人类活动可能是造成白水江表层沉积物DOM荧光组分存在空间分异的主导因素。从荧光有机物种类的空间变化趋势来看，相比于类腐殖质(C3、C5)，进入中、下游的类蛋白有机物(C1、C2、C4)平均含量增幅较大，尤其是C1、C2。相比上游，中、下游C1分别升高0.8、1.3倍，C2则分别升高1.5、2.3倍。

自然环境DOM的C1、C2含量增加可能与人类活动排放的污水有关。由图3可知，中游总污水排放量为2.77×104t，其中生活污水占比高达81%。这说明，进入中游的食物残渣、洗涤水与排泄物等生活污水组分可通过潜流交换进入表层沉积物，为微生物新陈代谢活动带来充足的碳源。相比中游，下游表层沉积物DOM的C1、C2分别升高25%、33%。虽然下游的生活污水与垃圾渗滤液排放量较中游分别减少86%、60%，但其总污水排放量却高达1.92×105t，是上游的6.9倍，且主要污水类型为工业废水，占比为96%，表明下游表层沉积物DOM的C1与C2可能主要来源于工业污染。

如图4所示，白水江各断面表层沉积物DOM荧光组分以类蛋白有机物为主，其中C4占比为64.56%～73.06%；其次为类腐殖质，占比约12.75%～15.95%，其中C5占比为9.91%～10.77%。受外源输入和微生物活动的交互影响，自上游至下游，C4占比逐渐减少，其余类蛋白有机物和类腐殖质占比均升高。来源于生活污水与工业源的C1、C2占比上升，虽有利于异养细菌生长繁殖，并产生一定量的代谢产物，但在微生物作用下，C1和C2降解产物生成的类腐殖质前驱体可经缩合或聚合反应形成C5。此外，中、下游污水排放量明显增加，而污水普遍含有腐殖酸[17]，致使其表层沉积物类腐殖质占比较上游高。

图3 2016年白水江流域环境统计数据Fig.3 Environmental statistics of Baishui River Basin in 2016

图4 DOM荧光组分的Pi，nFig.4 Pi，n of fluorescence components in DOM

2.3 荧光参数及环境指示意义

荧光参数对研究DOM荧光组分的来源与转化具有重要的指示意义，尤其是类腐殖质的来源特性。由图5(a)可知，上游表层沉积物FI为1.57～2.03，说明DOM类腐殖质主要可经微生物代谢活动产生；BIX为0.57～0.59，β/α均为0.57，表明上游DOM降解程度及自生贡献的类腐殖质含量较低。中、下游表层沉积物FI分别为1.97～2.44、1.83～2.62，表明DOM类腐殖质大部分来源于微生物活动；相比上游，中、下游的β/α平均值分别升至0.61、0.65，BIX平均值分别提高至0.69、0.70，说明中、下游DOM降解程度较大，并具有更多自生贡献的类腐殖质。

图5 荧光参数、水体基本参数的空间变化特征Fig.5 Spatial variation characteristics of fluorescence parameters and basic parameters of water

水温、pH与DO等基本参数可在某种程度上影响DOM降解程度。由图5(b)可知，上、中、下游水温分别为17.3～22.9、15.5～18.5、14.0～16.7 ℃，DO分别为6.73～9.45、4.93～7.35、4.14～8.48 mg/L，即水温与DO在空间上总体表现为上游>中游>下游。虽然较高的水温和充足的DO能使微生物保持较高的酶活性，但上游DOM降解程度显然低于中、下游，推测可能与上游表层沉积物中微生物数量较少有关。中、下游水温与DO处于较低水平，而DOM降解程度却较高，说明DO与水温对研究区表层沉积物DOM降解程度无显著影响。此外，由于上游至下游水体pH较稳定，因此pH也不是造成白水江沉积物DOM降解程度及自生贡献的类腐殖质含量产生空间分异的主要因素。

中、下游由人类频繁活动排放的污水量显著增加，导致表层沉积物的荧光强度逐渐增强。外加碳源输入一方面为微生物提供能量，间接促进了其生长繁殖与代谢活动；另一方面，微生物代谢可将污水的C1和C2通过降解生成类腐殖质前驱体，并进一步经缩合或聚合反应形成C5，从而导致中、下游自生贡献的类腐殖质含量普遍升高。因此，白水江表层沉积物DOM降解程度与自生贡献的类腐殖质含量主要受到人类活动和微生物代谢的共同影响，水温、DO、pH等水体基本参数几乎不干扰上述生化过程。

3 结 论

(1) 白水江表层沉积物DOM荧光组分以类蛋白有机物为主，其中C4占比为64.56%～73.06%；其次为类腐殖质，占比约12.75%～15.95%，其中C5占比为9.91%～10.77%。

(2) 相比上游，中、下游C1分别升高0.8、1.3倍，C2则分别升高1.5、2.3倍。相比中游，下游表层沉积物DOM的C1、C2分别升高25%、33%。

(3) 中、下游表层沉积物FI分别为1.97～2.44、1.83～2.62，表明DOM类腐殖质大部分来源于微生物活动；相比上游，中、下游的β/α平均值分别升至0.61、0.65，BIX平均值分别提高至0.69、0.70，说明中、下游DOM降解程度较大，并具有更多自生贡献的类腐殖质。