宁波东钱湖水体冬季溶解性有机质的三维荧光光谱特征分析

郑婉琳 胡 鋆 缪斌妹

（浙江省海洋生态环境监测中心，浙江 舟山 316000）

0 引言

东钱湖是浙江省第一大天然淡水湖，是宁波市重要的水利工程[1]，其功能以农业灌溉为主，兼顾水产养殖、城市供水、风光旅游、航运交通等，但是随着开发力度的不断加大且受人为活动影响，湖区水体和底泥中的污染物不断累积，东钱湖水环境保护问题已十分迫切。另外，溶解性有机质（Dissolved Organic Matter，DOM）作为作为表征有机污染物的重要指标[2]，B 不仅影响多种水质有机污染指标，还影响水体多种有机或者无机污染物迁移转化行为[3]。此外，DOM 在生态系统中也起到了重要作用。为此，揭示东钱湖上覆水DOM 组成、空间变化特征及来源具有重要的意义。

由于溶解性有机质具有高灵敏度、高选择性、高信息量以及不破坏样品等特点，因此三维荧光技术被广泛用于监测水质（河流、湖泊、海洋和地下水等）中DOM 的研究[4]。它通过同时扫描激发和发射波长而获得荧光强度的三维坐标矩阵光谱分析，并对复杂体系中荧光光谱进行光谱识别和表证，从而获得水体中溶解有机质荧光组分的组成和浓度信息，并解析溶解有机质在各种水体中的来源、分析及生物活动，由此判断水体的水质状况。国内研究者已在湖泊、河流（河口）、海洋等天然水体CDOM的三维荧光吸收与分布特征、变化特性、影响因素以及重金属与其他污染物的作用规律方面加以应用，同时也在给水、废水及污泥处理中DOM 三维荧光特征和变化方面进行工作。该研究以东钱湖为例，在2020 年12 月—2021年01 月对东钱湖水体中的可溶性有机质进行调查，分析东钱湖水体中的DOM 的时空变化特征，进而对东钱湖南北湖水质进行分析，为东钱湖的环境保护提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2020 年12 月—2021 年01 月在东钱湖于每月中下旬各调查一次。根据东钱湖的地理位置及周边环境情况共对东钱湖的地理位置设置12 个断面进行采样，分别位于北湖（N1、N2、N9、N10、N11、N12）和南湖（S3、S4、S5、S6、S7、S8）。具体采样点经纬度见表1。N1 位于向阳渔港的码头处，此处有游客聚集较多；N2 位于陶公岛入口小桥处；S3 位于东钱湖中建设村的小桥上；S4 位于小普陀进口前的水上餐厅旁。S5 位于钱湖水上乐园旁，由于季节原因采样期间水上乐园已经休业；S6 和S7 位于环湖南路路段边的亭子上采样，S7 附近有基督教堂；S8 位于处采样期间有进行施工；采样点N9 在十里四香附近，附近有烧烤摊位，由于天气转冷吃烧烤人流不多；N10 和采N11 都位于环湖东路边的两个亭子边采样，湖周围有大量的芦苇；N12 位于连心路的连心桥上取水样，远处有小区域的居民。水质基本参数（ pH、溶解氧、水温） 采用哈希 HQ30d 便携式水质测定仪进行现场实时测定。采集后的样品置于冷藏箱中黑暗低温保存，并立即送往实验室。其中，水体样品采用一次性滤器（Ф13mm/0.45μm）过滤后立即使用日立荧光分光光度计（F-7000）进行三维荧光扫描。

表1 采样点经纬度及基本水体参数

1.2 样品分析方法

取冷冻水样解冻后恢复室温，以无菌水为空白，使用日立荧光分光光度计（F-7000）进行三维荧光扫描，每个样品重复3 次取平均值。测量参数设置如下：光源为150 W 氙灯；PTM 电压为700 V；激发波长为200 nm~650 nm，发射波长为250 nm~700 nm，狭缝宽度均为10 nm，间隔波长均为5 nm；扫描速度为30 000 nm/min。测定前采用空白扣除法去除光谱中的瑞利散射，首先要扫描Milli-Q 超纯水作为空白水样，得到空白水样的三维荧光光谱，然后用含有有机污染物水样的三维荧光光谱减去空白水样的荧光光谱，从而去除瑞利散射。

2 结果与讨论

2.1 东钱湖南北湖水体总体荧光特征

2.1.1 东钱湖南北湖水体空间变化特征

根据宁波东钱湖南北湖水体的DOM 荧光强度特征见表2，2020 年12 月—2021 年1 月东钱湖南北湖总体水体的DOM 主要有4 类荧光峰，分别为紫外区类富里酸A峰、类蛋白B 峰、可见区类富里酸C 峰、类蛋白D 峰。这4 类荧光峰的中心位置分别为紫外区类富里酸A 峰：λEx/λEm= 240~255nm / 410~450 nm；类蛋白B 峰：λEx/λEm= 270~290 nm / 320~340nm；可见区类富里酸C 峰：λEx/λEm= 300 ~320 nm / 400~445 nm；类蛋白D 峰：λEx/λEm= 225~235 nm / 330~350 nm。分析不同荧光峰的中心位置发现，紫外区类富里酸A 峰荧光最大，类蛋白B 峰最小。从4 类峰的荧光强度表现可知，南湖的荧光峰强度总体略高于北湖。其中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，与腐殖质结构中的羟基及羧基有关，而B 峰和D 峰反映的是生物降解来源的类蛋白峰，与DOM 中的芳环氨基酸结构有关，B 峰反映的是生物降解来源的色氨酸，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。水体中的蛋白质主要是来自微生物的胞外分泌物，藻类，动植物死亡腐烂后溶解和人为污染，而腐殖质来源于浮游植物、底泥和沉积物。

由于荧光强度反映DOM 浓度。荧光强度的变化也能反映出水体受污染的程度。调查期间，4 类荧光峰强度顺序为峰A＞峰D ＞峰C＞峰B，类富里酸浓度相对较高，类蛋白质浓度较低。东钱湖湖水体中的生态系统处于一个相对比较稳定的状态，导致东钱湖水体中的各类荧光峰的浓度不会因为采样点的不同发生太大的波动起伏。有研究显示，森林、湿地生态系统能增加相邻水体DOM 腐殖化程度。东钱湖远离城市市区且周边植物较多，如芦苇、浮游植物等。水体中的DOM 主要来源于周边土壤、天然湿地和腐烂植物中腐殖质，随雨水冲刷进入的。而类蛋白质主要来源于微生物降解产生的芳香性蛋白类。由此可见，东钱湖水体保护得比较完善。这与东钱湖科技治水工程密不可分。

南湖水体4 类荧光峰强度顺序为峰A＞峰C＞峰D＞峰B；而北湖水体4 类荧光峰强度顺序为峰A＞峰D＞峰C＞峰B，整体峰C 和峰D 的荧光峰强度十分相近。北湖水体的DOM 各类峰的荧光强度都小于南湖，因为北湖从2013年起，开展北湖生态带—生态湖泊治理试点工作，培育绿色植物提升水源涵养功能，而水体中绿色植物的生长有利于减少荧光物质的产生，从而净化水质。北湖水体水质略好于南湖。

根据表2 分析具体采样点荧光强度特征，采样点S3 和S8 荧光峰强度特别高，这与他们的所处的地理位置有很大关系，S3 处于建设村的中心位置，居民活动，来往车辆较多，而S8 在采样期间在施工，人为活动会导致水体中DOM的增强。采样点N10，N11 和N12 荧光强度较低，N10 和N11 都位于环湖东路边，环境清幽，游客较少，N12 位于连心桥边虽然周围有区民区，但距离较远，说明居民活动对此处水质影响较少。

2.1.2 东钱湖水体荧光时间变化特征

将两个月4 次采样数据的荧光峰强度进行对比（表2）可知，12 月下旬的荧光峰强度＞12 月上旬的荧光峰强度＞1月下旬的荧光峰强度＞1 月上旬的荧光峰强度，可以发现1 月的荧光峰强度低于12 月且差异较大，主要是因为受到温度、降雨、地理环境等因素的影响。

表2 宁波东钱湖南北湖水体DOM 荧光峰强度特征及时空分布特征

2.2 宁波东钱湖水体DOM 的r（A，C）值

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）值应该为一定值，不同来源DOM 的r（A，C）值相差显著。由表3 可知，r（A，C）值总体变化区间为0.97~2.54。两端点值相差较大，分布较宽。北湖的r（A，C）值总体变化区间为1.21~2.54，南湖的r（A，C）值总体变化区间为0.97~2.31，说明在调查研究期间，东钱湖南北湖水体整体DOM 中至少含有两种类型的富里酸荧光基团。

2.3 宁波东钱湖水体DOM 的f450/500值

荧光指数（f450/500）为激发光波长为370 nm 时，荧光发射光谱强度在450 nm 与500 nm 处的比值。一般来讲，湖泊水体中DOM 的来源可分为内源和外源。我们通常利用该指数来研究和表征DOM 中腐殖质的陆源来源和生物来源，这两个端源f450/500 值分别为1.4 和1.9。

由表3 可知，不同采样点DOM 的荧光指数f450/500值的变化范围不同，各采样点水体DOM 的f450/500值总体变化区间为0.77~2.61；北湖采样点水体DOM 的f450/500值总体变化区间为0.96~2.40；南湖采样点水体DOM 的f450/500值总体变化区间为0.90~2.13。说明东钱湖南北湖水体来源比较复杂，既有土壤中的有机质产生的陆源也有细菌和藻类释放的内源的共同影响，两者相差不大。

S3 表现为更接近陆源来源的临界值，S3 位于建设村的小桥上，陆生植物和土壤有机质的外源输入为主要影响。相关报道发现，入湖河流及周围人类活动是造成湖泊有机污染物积累的主要因素[5]其他采样点均表现为外源与内源共同作用，东钱湖水生植物种类多且土壤丰富，还有大片面积的湿地。这些均可成为腐殖质的内外来源影响，这也说明了东钱湖水体比较复杂。

2.4 宁波东钱湖水体DOM 的BIX 值

生物源指数（BIX）是310 nm 激发波长下，发射波长在380 nm 与430 nm 处荧光强度的比值，这个参数反映了新产生的DOM 在整体DOM 中所占的比例，当BIX小于0.6 时，具有较少微生物的DOM 产生；当BIX大于0.6 时，为生物或者细菌活动产生的DOM 较多[6]。

由表3 可知，调查期间不同采样点DOM 的荧光指数BIX值的变化范围不同。各采样点水体DOM 的BIX总体变化区间为0.52~1.99。说明宁波东钱湖水体DOM 中大部分是微生物或细菌产生的DOM 的采样点。北湖采样点水体DOM 的BIX值总体变化区间为0.80~1.85；南湖采样点水体DOM 的BIX值总体变化区间为0.52~1.99；北湖水体DOM 的BIX值总体略大于南湖，说明北湖由微生物或细菌产生新鲜的DOM 较多。S3 采样点较其他采样点低，可能与它所处环境有关，它处于建设村中心位置，居民较多，生活污水使水体微生物产生新鲜的DOM 较少。

表3 宁波东钱湖水体DOM 的r（A，C）值、f450/500 值及BIX 值

综上所述，东钱湖不同站点水体12 月和1 月的BIX变化趋势相近，水体DOM 由微生物产生较多，北湖水质中比南湖由微生物或细菌产生新鲜的DOM 更多。

3 结论

3.1 宁波东钱湖水体三维荧光光谱主要特征

宁波东钱湖水体中的DOM 的三维荧光峰主要有4 类，分别为紫外区类富里酸荧光峰（A 峰）、可见区类富里酸荧光峰（C 峰）、类蛋白荧光峰（D 峰）以及类蛋白荧光峰（B 峰）。水体中的DOM 以类富里酸A 峰最强。

3.2 宁波东钱湖水体DOM 的主要来源

通过计算r（A，C）值发现，东钱湖水体的DOM 中至少含有两种类型的富里酸荧光基团。计算各采样点的荧光指数（f450/500）值发现东钱湖水体DOM 中的腐殖质主要受到了陆源和内源的双重影响，其中内源与生物活动密切相关；而外源主要是地表径流引起的周围动植物残体及有机质的汇入以及生活污水的排入。通过计算BIX值发现，东钱湖水体的DOM 接近于生物来源微生物降解特征值，因此得到在调查研究期间东钱湖水体的DOM 来源主要为生物来源。这与2013 年起，东钱湖开展北湖生态带——生态湖泊治理试点工程关系密切[7]。清淤工程后，东钱湖水质明显提升。

3.3 宁波东钱湖水体水体的DOM 荧光强度变化规律

从荧光峰均值强度来看，调查研究期间东钱湖水体中的DOM 里浓度最高的为类富里酸，类蛋白质较低，4 类荧光峰强度顺序为峰A＞峰D＞峰C＞峰B。根据2020 年12 月—2021 年1 月对东钱湖两个月的研究调查发现，2021年1 月东钱湖水体中的DOM 各类峰值明显小于2020 年12 月。南湖水体的DOM 各类峰的荧光强度略大于北湖水体。北湖水质中比南湖由微生物或细菌产生新鲜的DOM更多。