白塔堡河底泥DOM组成结构的荧光光谱与多元统计模型表征

2021-03-23刘东萍高红杰崔兵于会彬杨芳

环境工程技术学报 2021年2期

刘东萍，高红杰*，崔兵，于会彬，杨芳

1.中国环境科学研究院流域水污染综合治理中心 2.山东师范大学地理与环境学院

溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是由多种有机物质组成的异质碳氢混合物，主要包括含氧、氮和硫的氨基酸，多糖和腐殖质等[1-2]。DOM广泛存在于自然环境和人工环境中，主要来源于物理、化学和微生物过程中动植物残体、藻类排泄物及人类活动排放物等的降解，是紫外光降解、细菌繁殖与生物地球化学反应的有机组成部分[3-5]。DOM不仅影响营养物质的保持和释放、生物可利用性、金属离子和有机化学物质的迁移转化，还被用于表征水质特征[6]。目前国内外应用荧光光谱技术对DOM的研究已趋于成熟，识别DOM特征的关键因子，揭示荧光组分的空间分异规律，能够为治理水体污染提供更为具体的措施及建议。

三维荧光光谱(three-dimensional excitation emission matrix spectroscopy，EEMs)检测是一种操作简单、测样快速、灵敏度高、成本低的技术，它能够打破传统二维荧光光谱的局限，将激发、发射光谱和荧光强度有效地在一张三维等高线光谱图中全面表达，被广泛用于定量分析底泥中的DOM组成结构，揭示DOM在河流、湖泊、地下水及海洋等环境中的动力学特征[7-9]。由于DOM自身的复杂性和多样性，光谱扫描中易发生荧光重叠和干扰[10]。近年来，平行因子(parallel factor，PARAFAC)被广泛应用于DOM荧光特性的分析，该方法不仅能识别与分离EEMs中重叠及受到干扰的荧光峰，还可以半定量表征DOM各荧光组分特征[11]。EEMs结合PARAFAC分析，可以表征底泥中DOM的组成结构特征，辨识其污染源；通过PARAFAC组分的分析，能够较为准确地判断底泥的污染特征。但目前利用分类回归树(classification and regression tree，CART)模型分析PARAFAC组分的研究较少。

笔者应用EEMs对沈阳市白塔堡河底泥DOM进行分析，结合PARAFAC、层次聚类分析(hierarchical clustering analysis，HCA)与CART模型，分析白塔堡河底泥DOM的组成结构特征，揭示底泥DOM荧光组分的空间分异规律，识别底泥DOM特征的关键因子，判别白塔堡河底泥的污染状态，以期明确白塔堡河底泥DOM的污染源及污染状态，为河流治理措施的制定提供参考与依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白塔堡河位于浑河中游左侧，是浑河的一级支流，其发源于沈阳市浑南区李相镇老塘峪村，由东向西流经李相、深井子、南塔、浑南新区、白塔、浑河民族开发区6个乡镇(街区)，于曹仲屯汇入浑河[12-13]。流域面积为178 km2，河流总长为48.5 km，河道平均比降为1.65‰。白塔堡河处于温带半湿润和半干旱的季风气候区，冬季严寒、干燥，夏季炎热、多雨。白塔堡河为季节性河流，自然流量很小[13]。近年来，由于生活污水、工业废水、污水处理厂排水、养殖场排水和农业面源污染入河的影响，白塔堡河及其周边环境受到污染，河流生态环境问题突出[14-15]。

1.2 样品采集

根据人类活动对白塔堡河影响程度的不同，在白塔堡河设置12个采样点(图1)。其中，1#～5#采样点位于白塔堡河上游的农村段，该河段河水的补给来源以农村生活污水、农田退水和养殖废水为主，补给水量小；6#～9#采样点位于中游的城镇段，该河段河水的补给来源主要是生活污水与工业园集中排水，补给水量大，其中8#采样点附近有工业园区；10#～12#采样点位于下游的城市段，该河段河水的补给来源以生活污水和工业废水为主，补给水量较大，采样之前河道内已疏浚了部分底泥[12]。

图1 白塔堡河采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points in Baitapu River

采集12个采样点的表层底泥样品，经自然风干后研磨过100目筛。称取20 g底泥样品与100 mL超纯水(Milli-Q，电阻率为18.2 MΩ·cm)混合，置于25 ℃恒温摇床上以200 rmin的速度避光连续提取24 h，静置30 min，用离心机以9 000 rmin离心10 min，取上清液过0.45 μm醋酸纤维膜，得到底泥的DOM溶液。

1.3 EEMs检测与PARAFAC分析

采用荧光分光光度计(F-7000型)完成EEMs的测定，并运用FL Solutions 2.1软件进行数据处理。以Milli-Q超纯水作为空白，将DOM溶液放入1 cm石英比色皿中。激发光源为150 W氙弧灯，光电倍增电压为700 V，激发波长(Ex)扫描范围为200～450 nm，发射波长(Em)扫描范围为260～550 nm，激发和发射狭缝宽度为5 nm，响应时间为0.5 s，扫描速度为2 400 nmmin，扫描间隔为10 nm[9]。分光光度计根据仪器的拉曼信号进行自动校准，并以奎宁硫酸盐单位标准化[16]。

利用MATLAB 2017b软件中的DOMFlour工具箱对光谱数据进行拉曼和瑞丽散射的去除，再对数据进行PARAFAC建模，模型通过半劈开验证和残差验证提取最佳荧光组分数，所得最大荧光强度(Fmax)代表各组分的相对浓度或强度[7]。

1.4 数理统计分析

HCA依据样本之间的相似性进行分类，是一种多变量统计技术。对荧光组分聚类，探究不同荧光组分间的联系；对采样点聚类，揭示白塔堡河表层底泥的空间相似性与差异性。CART模型是一种基于统计理论的非参数方法，常通过识别特征变量来揭示定性特征。CART可以辨识最佳分组变量，并利用该变量对数据进行分组，输出分类错误最小的子树作为最优分类模型[9]。在SPSS 22软件中采用中位数算法对荧光组分进行聚类，采用质心算法对采样点进行聚类，运用CRT算法生成CART模型。

2 结果与讨论

2.1 EEMs特征

在EEMs图谱中出现了8个不同强度的荧光峰(图2)：B峰为类酪氨酸荧光峰(ExEm=225～235 nm290～310 nm)，与DOM中的芳环氨基酸结构有关[17-18]；T1峰和T2峰为类色氨酸荧光峰(ExEm=225～235、265～285 nm330～370 nm)，与微生物降解产生的芳香性蛋白类结构有关[9]；M峰为类腐殖质荧光峰(ExEm=290～310 nm370～410 nm)，与微生物代谢产物有关，反映底泥中微生物活性强度[18]；A峰和C峰为类富里酸荧光峰(ExEm=240～260、335～365 nm380～420 nm)，反映陆源输入的富里酸和腐殖酸[19-20]；H峰为紫外区胡敏酸荧光峰(ExEm=260～300 nm475～510 nm)，F峰为可见区胡敏酸荧光峰(ExEm=350～380 nm475～510 nm)，一般用于表征陆源性有机物质[21]。从不同河段来看，农村段荧光强度较大的是B峰和T峰；城镇段与城市段荧光强度较大的是A峰，此外，城镇段B峰和T峰的荧光强度明显高于城市段。

荧光指数(FI)常用于指示DOM的来源，其定义是Ex为370 nm时，Em在450和500 nm处荧光强度的比值[22]。当FI<1.4时，表示DOM主要来源于经径流进入水体的陆源有机质；FI>1.9时，表示DOM主要来源于微生物分解产生的内源性代谢物[23]。各采样点FI为1.55～1.91，均值为1.65±0.09〔图(3a)〕，表明底泥DOM受陆源和内源物质共同影响。其中FI的最大值出现在农村段4#采样点，为1.91，说明其底泥DOM以微生物内源性代谢产物为主；FI的最小值出现在城市段10#采样点，为1.55，表明其底泥DOM陆源的占比较大。

自生源指数(BIX)是指Ex为310 nm时，Em在380和430 nm处荧光强度的比值，常用于表示自生源特征和生物可利用性，反映出水体自生源的相对贡献[24]。当BIX<0.8时，表示DOM自生源贡献较少；BIX>0.8时，表明自生源贡献较多[24]。各采样点BIX为0.71～0.97，均值为0.83±0.08〔图3(b)〕，表明底泥DOM受陆源和内源物质的双重影响。其中，农村段BIX均值为0.89±0.07，城镇段为0.78±0.05，城市段为0.79±0.08，表明农村段底泥DOM自生源贡献较多，城镇段和城市段自生源贡献较少。

图2 不同采样点底泥DOM的三维荧光光谱Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM in the sediments at different sampling sites

腐殖化指数(HIX)是指Ex为255 nm时，Em在435～480 nm与300～345 nm处荧光强度的平均值之比，常用于表示DOM的腐殖化程度，HIX的数值越大表示腐殖化程度越高，DOM越稳定[25]。各采样点HIX为0.93～4.15，均值为2.48±1.17，表明底泥DOM的腐殖化程度较低。另外，农村段HIX均值为1.22±0.36，城镇段为3.30±0.34，城市段为3.48±0.58，表明城镇段与城市段底泥DOM的腐殖化程度明显高于农村段，这与FI、BIX指示的农村段以内源为主，而城镇段和城市段受陆源与内源物质的综合影响的结果相一致。

图3 各采样点荧光指数分布Fig.3 Distribution of fluorescence index of each sampling site

图4 PARAFAC技术提取出各采样点DOM的6个荧光组分Fig.4 Six fluorescence components extracted by PARAFAC of DOM at each sampling site

2.2 PARAFAC分析

应用PARAFAC方法提取了6个荧光组分(C1～C6)，结果如图4所示。由图4可知，C1(260、355 nm430 nm)包含2个荧光峰，分别为紫外区类富里酸和可见区类富里酸，对应于图2中的A峰和C峰，二者都可能与DOM中的羰基(—CO—)、羟基(—OH)有关，常用于指示陆源输入[26-27]。C2(240、320 nm405 nm)指示微生物代谢产物，可用于表征底泥中微生物的活动强度[12]。C3(370、280 nm490 nm)包含2个荧光峰，分别为紫外区类胡敏酸和可见区类胡敏酸，对应于图2中的H峰和F峰，常用于指示陆源输入[28]。C4(270 nm375 nm)指示类色氨酸荧光，对应于图2中的T峰，与羧基(—COOH)官能团有关，是一种由微生物代谢产生的内源类蛋白物质[29]。C5(215 nm305 nm)为类酪氨酸荧光，对应于图2中的B峰，主要为微生物和浮游植物产生的内源类蛋白物质，但也受生活污水和农田退水的影响[30]。C6(230 nm425 nm)指示酚类物质，由煤气、焦化、石油、化工、油漆、制剂制药等行业大量排放含酚废水产生，与白塔堡河沿程城镇段和城市段工业废水的排放有关[31-33]。

图5 各荧光组分最大荧光强度与占比Fig.5 Maximum fluorescence intensity and proportion of each fluorescence component

白塔堡河底泥DOM总Fmax及各组分Fmax空间分布差异较大〔图5(a)〕。城镇段总Fmax的平均值最高，为(196.13±65.77)a.u.，表明该河段底泥DOM的荧光物质浓度最高；其次为城市段，平均值为(180.95±67.35)a.u.；总Fmax最低的为农村段，平均值为(89.12±56.40)a.u.，表明该河段底泥DOM中荧光物质浓度最低，变化幅度也最小。白塔堡河底泥DOM荧光物质浓度的分布为城镇段>城市段>农村段。

从不同荧光组分来看，城镇段C1的Fmax平均值最大，为(272.53±61.55)a.u.，城市段次之，农村段最低，C2～C4和C6与C1的分布趋势相同。C5的Fmax最大平均值位于农村段，为(183.58±80.16)a.u.，与EEMs中B峰强度为农村段>城镇段>城市段的结果一致。总体而言，城镇段河流底泥的荧光物质浓度略高于城市段，农村段河流底泥的荧光物质浓度最低。这可能是由于城镇段和城市段接纳了大量的生活污水和工业废水，而城市段底泥部分被清淤，使该河段DOM荧光物质浓度低于城镇段；农村段位于白塔堡河上游，农村生活污水、农田退水及养殖废水的汇入量均较小。

不同采样点各荧光组分的相对浓度用Fmax在该采样点总Fmax中的占比表示〔图5(b)〕。C1的平均相对浓度由农村段到城市段逐渐增大，依次为农村段(14.75%)、城镇段(23.09%)、城市段(24.42%)。C2的平均相对浓度在农村段较小，为12.54%，在其他河段相对浓度较大且空间变化较小，为15.61%～18.05%。C3的平均相对浓度在农村段为8.09%，城镇段为11.33%，城市段为11.42%。C4的平均相对浓度由农村段到城市段呈先减小后略微增加趋势，农村段为15.05%、城镇段为12.83%、城市段为13.69%。C5的平均相对浓度在农村段最高，为32.99%；其次为城镇段(15.22%)；城市段最低(12.08%)。C6的平均相对浓度呈现出和C1相同的变化趋势，由农村段到城市段逐渐增大，依次为农村段(16.59%)、城镇段(21.12%)、城市段(21.45%)。

农村段DOM中相对浓度较大的荧光组分是C5(32.99%)，表明农村段河流底泥DOM的荧光物质主要受微生物与浮游植物产生的内源和生活污水及农田退水排入的影响。城镇段和城市段DOM中相对浓度较大的荧光组分均为C1和C6，表明城镇段和城市段河流底泥DOM的荧光物质主要受生活污水、工业废水、养殖场排水和农业面源等陆源输入的影响。此外，城镇段和城市段DOM中C4和C5的相对浓度存在明显差异，城镇段表现为C4低于C5，城市段表现为C4高于C5，这表明城镇段河流底泥DOM的荧光物质受内源类蛋白物质的影响低于微生物与浮游植物产生的内源和生活污水排入的影响，而城镇段与之相反。

2.3 层次聚类分析

利用HCA将荧光组分分成3个具有统计学意义的组〔图6(a)〕：第Ⅰ组包括C1和C6，二者在不同河段的占比表现为相同的变化趋势，且可用于指示陆源输入。第Ⅱ组包括C2～C4，相较而言这3种荧光组分的占比在农村段、城镇段和城市段的变化幅度不大，不具备对采样点进行明确分类的特征。第Ⅲ组为C5，其主要集中于农村段，属于内源类蛋白物质，表征了河流底泥的内源性。C5与其他组分相对距离最大，是根据相似特征对采样点进行分类的关键因子[37]。

图6 荧光组分与采样点的HCA分析Fig.6 Hierarchical clustering analysis of the fluorescent components and the sampling sites

根据HCA分析结果，将采样点分成3组〔图6(b)〕：A组为农村段(1#～5#采样点)，该组DOM荧光组分的总Fmax浓度最低，底泥污染程度较轻；B组为城镇段(6#～9#采样点)，该组DOM荧光组分的总Fmax最高，底泥污染程度较严重；将城市段(10#～12#采样点)归类为C组，除C5组分外，该组各荧光组分的Fmax均远高于A组农村段且略微低于B组城镇段，表明城市段河流底泥的污染程度低于城镇段，但仍处于重污染状态。

2.4 CART模型

依据HCA分类结果将底泥DOM样品分为A、B和C 3组，把6个荧光组分浓度设为自变量，分类结果设为因变量，生成CART模型(图7)。CART模型输出结果显示，组分C5与C1将3组对应的白塔堡河底泥污染状态各异的河段区分开。A组农村段C5浓度及其变动幅度远大于城镇段和城市段，类酪氨酸是识别农村段底泥的关键因子；B组城镇段C1浓度及其变动幅度大于城市段，类富里酸是区分城镇段与城市段的关键因子(图5)。CART模型揭示了C5与C1可用于表征白塔堡河底泥DOM空间差异，验证了类酪氨酸是白塔堡河底泥DOM特征的关键因子，并识别出类富里酸是底泥DOM的另一关键因子。