厦漳地区原水DOM的3-DEEM-FRI表征与分析研究

2021-02-03陈彦洁崔育倩李青松李博强王吉苹陈国元李国新

光谱学与光谱分析 2021年2期

陈彦洁，崔育倩，李青松，李博强，王吉苹，陈国元，廖杰，李国新

1.青岛大学环境科学与工程学院，山东青岛 266071 2.厦门理工学院水资源环境研究所，福建厦门 361024 3.浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州 310014

引言

溶解性有机物(dissolved organic matter，DOM)在地表水中分布广泛，其主要成分包括腐殖质类、多肽蛋白质类以及某些溶解性微生物代谢产物，这些物质具有大量的含氧、氮、硫等元素的官能团，净水处理消毒过程中DOM往往会生成具有潜在致癌致畸变等作用的消毒副产物(DBPs，主要为三卤甲烷、卤乙酸等)[1-2]，严重威胁到人体健康。此外，DOM是生物和非生物系统之间的联系，通过影响金属的赋存状态，进而影响其化学毒性、迁移率和生物利用度[3]。近年来河流湖泊水体中DOM含量呈现快速、明显的上升趋势。以鄱阳湖为例，由于外源氮的输入，引起DOM中类腐殖质及类酪氨酸等物质含量上升[7]，潜在风险也随之增加。因此，探明水体中DOM污染状况，针对性选择适合的水处理工艺对于保障居民饮水安全具有重要意义[4]。此前，DOM被认为是一种相对惰性的生物代谢产物，难以对其进行深入研究和分析，然而，荧光光谱技术的不断发展和光学技术的进步使有机物质及其在水中的分布和变化能够得到更详细的表征。三维荧光技术可以快速高效的表征DOM的组分和种类，近年来被广泛用于DOM检测与分析[5-6]。

实验采用三维荧光光谱结合荧光区域积分的分析方法(3-DEEM-FRI)，对厦漳地区水源地水体中DOM各组分进行表征，并结合其荧光特性讨论了DOM的种类、来源、性质及其与水质参数之间的关系，以期为水源水体的污染源分析提供理论依据。

1 实验部分

1.1 样品处理

所用水样于2019年7月中旬分别取自厦漳地区的江东泵站、北溪水闸、汀溪水库、莲花水库、坂头水库和石兜水库，其中江东泵站及北溪水闸主干为九龙江，是厦漳地区主要水源地，水体流动性较强，流域人口占全省人口15%以上，经济总量占全省25%以上。水样采集后立即用棕色采样瓶运回实验室，经0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤后置于4 ℃环境保存，并尽快进行分析测定。采样点具体位置如图1所示。

图1 采样点分布Fig.1 Sampling sites

1.2 方法

按照Chen[8]等提出的荧光区域积分(FRI)分析法，将荧光区域按照激发波长和发射波长的不同范围划分为五个部分，分别为：代表荧光类蛋白组分的区域Ⅰ(酪氨酸)和区域Ⅱ(色氨酸)、代表类富里酸组分的区域Ⅲ、代表溶解性微生物代谢产物的区域Ⅳ以及代表类腐殖酸组分的区域Ⅴ，可通过对各区域荧光强度进行积分，实现对DOM的定性及半定量分析。具体分区情况如表1所示。

表1 荧光积分区域分区情况Table 1 Fluorescence integral region partition

积分公式如式(1)—式(4)

Φi，n=MFiФi

(1)

(2)

(3)

Pi，n=Φi，n/ΦT，n×100%

(4)

式中，Фi为区域i的积分体积；Фi,n为区域i的标准化积分体积；MFi为倍增因子，它等于区域i积分面积占总区域积分面积之比的倒数；I(λexλem)是激发-发射波长对应的荧光强度；ФT,n为总荧光区域标准化积分体积；Pi,n为区域i标准化积分体积占总标准化积分体积之比。分析图表的绘制均采用OriginPro9.0软件完成。

2 结果与讨论

2.1 水体DOM的荧光光谱特性及区域积分

DOM的三维荧光特征光谱图以及通过FRI法所得DOM的标准荧光积分体积与各荧光区域的标准积分体积占总积分体积的比例如图2所示。

由图2可知，六个采样点水样的三维荧光特性具有明显的差异。各采样点水样均检出荧光峰C1(荧光类蛋白质组分Ⅰ，酪氨酸)和荧光峰C2(荧光类蛋白质组分Ⅱ，色氨酸)，其中江东、北溪采样点的峰C1和C2荧光强度相对较弱(300～400)，而石兜水库采样点的峰C1和C2荧光强度则远大于1 500。类富里酸组分的荧光峰C3在六个采样点水体中均有出现，且强度不等，其中石兜采样点的荧光强度最大(900～1 000)；溶解性微生物代谢产物(峰C4)多为水中微生物于近期通过代谢分解等活动产生，水生微环境对该组分的影响较大[8]，莲花水库、坂头水库、石兜水库水体均有C4峰出现，其中石兜水库水体的C4峰范围最广，相对荧光强度最大(400～500)，推测该水体近期微生物活动较强烈；类腐殖酸组分(荧光峰C5)在六个采样点水体检出均不明显。

图2 各水样三维荧光特征光谱图(a—f)Fig.2 3-DEEM spectra of water samples

不同采样点的ФT,n有所差异[图3(a)]，其中石兜水库采样点的ФT,n最大(280 476)，其次为坂头水库(247 836)、莲花水库(215 798)、汀溪水库(204 409)和北溪水闸(159 122)采样点，而江东泵站采样点最小(139 005)。Baker[9]等认为蛋白质是水体污染物的主要成分，因此受污染严重的水体类蛋白质组分具有较高的荧光强度，所以Ф1,n和Ф2,n也相对较大，原因可能是坂头-石兜水库浮游动植物大量繁殖产生较多的代谢产物，且近年来水库周边人类生产等活动较多，增加了外部碳源和氮源的输入，从而加重水体污染程度。

如图3(b)所示，各采样点水体荧光类蛋白质组分的积分占比(P1,n+P2,n)均在60%以上，类富里酸组分、溶解性微生物代谢产物组分的积分占比(P3,n和P4,n)都在10%～20%之间，而类腐殖酸组分的积分占比(P5,n)均小于6%，表明荧光类蛋白质组分在采样点水体DOM中占主体地位，类腐殖质组分的含量较少。而关于镜泊湖水体的研究结果则表明DOM以类腐殖酸组分为主[10]，原因可能是因为镜泊湖水体环境与土壤性质与本研究所涉及的江河水库差异巨大，且气候、采样季节以及污染物来源等均有所不同。而关于太湖水源水[11]及同样位于东北地区的辽河七星湿地水体DOM的研究结果[12]则与本研究具有类似的结论，这说明DOM主要受排放源类型和水体底泥土壤性质及水中微生物活动的影响。

图3 各水样标准荧光积分体积(a)及各区域积分占比情况(b)Fig.3 Nomalized fluorescence integral volume and the proportion of each region of water samples

各荧光区域积分体积之间的相关性分析见表2，六个采样点水样Ф1,n，Ф2,n和Ф4,n三者之间的相关性显著(R2>0.8)，其中组分Ⅰ与组分Ⅳ之间的R2高达0.970 36，组分Ⅱ与组分Ⅳ之间的R2=0.804 16，而Ф3,n，Ф5，n之间以及其二者与Ф1,n，Ф2,n，Ф4,n之间的相关性较差(R2<0.25)。这表明荧光类蛋白质组分(组分Ⅰ酪氨酸、组分Ⅱ色氨酸)与溶解性微生物代谢产物(组分Ⅳ)之间具有同源性，类腐殖酸、类富里酸和荧光类蛋白质组分的来源则有所不同，说明水体中荧光类蛋白质组分与溶解性微生物代谢产物组分同属内源输入，主要为浮游生物分解代谢产生；类腐殖酸和类富里酸等污染物则主要为陆源输入，且陆源输入途径也具有多样性。

表2 各区域标准荧光积分体积之间的相关性分析结果Table 2 The correlation analysis results between regions

2.2 水质指标及荧光特征参数分析

UV254、SUVA、荧光指数(FI)、生物源指数(BIX)、腐殖化指数(HIX)以及新鲜度指数(β∶α)等指标和荧光特征参数，可在一定程度上反映水体中DOM来源特征以及变化趋势，相关水质参数见表3。

表3 水质指标及荧光特征参数Table 3 Indicators and fluorescence characteristics of water samples

SUVA的定义为UV254与TOC 的比值，即单位总有机碳的紫外吸光度。SUVA值越大，表明DOM含有的苯环更多且结构更复杂，水体的芳香化(腐殖化)程度更高[13-14]。调查结果表明SUVA与类腐殖质组分积分体积占比(P3,n+P5,n)之间具有一定的相关性(图4，R2=0.703 25)，表明类腐殖质组分的相对含量是影响DOM腐殖化程度的主要因素，这与Huguet[15]等(腐殖化程度高的水体DOM以陆源输入为主)的结论类似。另有相关研究表明SUVA与消毒副产物生成势之间密切相关[16-17]，因此(P3,n+P5,n)可作为消毒副产物生成势的一种代替指标。

图4 SUVA与类腐殖质组分的相关性分析Fig.4 Correlation analysis of SUVA and humus-like components

FI是指Ex=370 nm时，Em=450和500 nm处荧光强度的比值，FI在1.4附近可作为水体DOM中类腐殖质组分主要为陆源腐殖质的标志，在1.9附近则是生物源腐殖质的标志。由表3可知，江东、北溪、汀溪和莲花四处采样点的FI接近1.4，说明调查点水样腐殖质以陆源输入为主，而坂头、石兜的FI更接近于1.9，表明其水样腐殖质以内源产生为主。相关研究表明，内源类腐殖酸组分主要是由河道底泥中有机质在微生物作用下产生并通过扩散作用进入上覆水体中[18]。

BIX是指Ex=310 nm时，Em=380 nm和Em=430 nm处荧光强度的比值，其值大于1表明DOM主要为自生源，位于0.6～0.8之间则代表以陆源输入为主。各调查点水样的BIX均小于1，其中北溪采样点BIX小于0.8，其他采样点在0.8～1.0之间，表明采样点水样DOM具有较强的自生源特征，说明水体中水生植物及浮游微生物代谢活动较强。

HIX为Ex=254 nm时，Em在435～480 nm之间的荧光强度积分值除以300～345 nm之间的荧光强度积分值。HIX既可作为评价DOM腐殖化程度的指标，也可在一定程度上反应出DOM的来源情况，HIX数值越高表明DOM腐殖化程度越高。由表3可知江东、北溪以及莲花采样点HIX值均大于2，表明这三个采样点水样的腐殖化程度较高，陆源DOM输入占比较大，受人类活动影响较大。

β∶α是指Ex=310 nm时，Em=380 nm的荧光强度除以Ex位于420～435 nm之间的最大荧光强度的值，该指数可以反应新生成的DOM占DOM总量的多少，其中β代表新近生成的DOM，α代表降解程度较高的DOM。调查表明，石兜水库采样点水体中新生成DOM所占的比例较大(β∶α=0.97)，北溪、江东采样点新生成DOM所占比例则相对较少，结合HIX数值进行分析，说明了新生成的DOM腐殖化程度比较低，腐殖化程度高的水体其DOM存在时间较长，难以降解。

荧光特征参数中FI较大时，说明水体自生源DOM占比较大，自生源DOM的腐殖化程度通常远低于陆源DOM，因此其腐殖化程度也会偏低，从而FI与HIX之间呈现负相关性；生物源指数BIX越大，表明自生源DOM越多，而自生源DOM中包含大量微生物代谢近期活动中生成的代谢产物，因此BIX与β∶α正相关。FI与HIX之间的R2=0.621 54，BIX与β∶α之间的R2=0.839 82，其他参数之间的相关性较差(表4)，这与此前的相关研究的结果(受人为活动影响较大的水体FI值高，BIX值高且与β∶α正相关)一致[19]。

表4 各参数之间的相关性分析结果Table 4 The correlation analysis results between the parameters

如图5(a)所示，TOC与Ф1,n，Ф2,n，Ф4,n及ФT,n之间呈显著正相关，R2分别为0.959 61，0.875 03，0.938 05和0.979 34，这表明总标准荧光积分体积、荧光类蛋白质组分以及溶解性微生物代谢产物组分与TOC的含量密切相关，其中TOC与ФT,n的R2最高。TOC与Ф3,n，Ф5,n之间相关性较差(R2<0.3)，这可能与类腐殖质组分(类富里酸组分以及类腐殖酸组分)的含量太少有关，且类腐殖质的化学结构与性质复杂，在生物学上属于惰性物质[20]，从而会对相关性造成一定影响。