不同条件下腐殖酸三维荧光特征及水质指标影响研究

秦亚强 孟凡生 张铃松 薛浩 张胜

关键词：腐殖酸；三维荧光特征；水质指标；线性回归模型

前言

腐殖质（HS）是指土壤中的一种有机质，由植物、动物遗骸和废弃物在微生物作用下不完全分解而生成，主要由腐殖酸、富里酸和胡敏素等成分构成。受雨水冲刷及地表径流作用进入水体中，形成溶解性有机物，使水质指标化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数（CODM）升高。

目前，关于腐殖质的研究主要集中在其形成机制、结构特征及其来源分析，但其在不同条件下的三维荧光特征和与水质指标之间的关系尚不明确。因此，深入探究腐殖酸三维荧光特征及其与水质指标之间的关系，具有重要的研究价值和应用前景。

综上所述，研究通过对不同条件下腐殖酸的三维荧光特征及其与水质指标之间的关系，探究腐殖酸对水体的影响机制，为水质监测和科学评价提供理论支持和技术手段。

1实验部分

1.1样品制备

研究使用的腐殖酸来自天津市津科精细化工研究所。在电子天平上称取1g腐殖酸放于烧杯中，加入100mL0.1mol/L的NaOH溶液溶解，放置于磁力搅拌器上搅拌，搅拌12h之后用超纯水（Millipore，18.2 MQ·cm）定容至1000mL，避光环境下将定容后的原液放置12h，之后将上清液经0.45um滤膜过滤得到腐殖酸母液，腐殖酸溶液放入棕色广口瓶在4℃下进行保存。取少量腐殖酸母液稀释，测定DOC值并将其作为腐殖酸母液浓度。

文章主要对pH值和腐殖酸浓度做研究。用腐殖酸母液配制浓度为2mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L和50mg/L腐殖酸溶液，分別调节pH值为4、6、7、8和10。

1.2水质指标测定

采用《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》（HJ/T399-2007）测定不同腐殖酸浓度及不同pH条件下COD的浓度；采用《水质高锰酸盐指数的测定》（GB11892-89）测定COD。

1.3光谱测量方法

采样三维荧光分光光度计[日立（Hitachi）F-7000]测定腐殖酸溶液的三维荧光光谱，以150W氙灯为激发光源，PMT电压为700V，激发EX波长范围设置为200nm～500nm，发射EM波长范围设置为200nm～600nm，增量均设置为5nm，狭缝宽度为1nm，扫描速率为12000nm/min，响应时间设置为自动。

采样紫外一可见分光光度计（SPECORD 200PLUS，德国耶拿）测定腐殖酸溶液，将水样使用匹配的1cm石英比色皿置于UV-2500紫外分光光度计中测定吸光度，设置测量模式为光谱扫描，波长范围为200nm～700nm（间隔1nm），扫描速度50m/s，并采用当天的Mill-Q超纯水用作空白。

1.4数据处理

采用staRdom软件包（R）进行吸收光谱参数、荧光光谱参数计算和区域积分预处理，利用MAT-LAB R2022b进行区域积分计算，利用origin 2021数据统计分析及绘图。

2结果与讨论

2.1不同pH条件下水质指标的变化

不同pH条件下COD和CODM浓度变化如图1所示。腐殖酸浓度低于10mg/L时，COD浓度随pH值的增加而先降低后上升；腐殖酸浓度为20mg/L时，COD浓度不随pH值的变化而变化；腐殖酸浓度为50mg/L时，COD浓度随pH值的增大而上升。CODM浓度随pH值变化而变化不大。表明CODM浓度不受pH值变化影响。其原因是在测定高锰酸指数时，在进行水浴加热前需要加入硫酸进行酸化，因此，不同pH值对高锰酸盐指数测定影响不大。

2.2不同条件下腐殖酸三维荧光谱的研究

在腐殖质分析过程中，三维荧光光谱是一种非常重要的方法。受环境因素的影响，腐殖质在进行三维荧光光谱测定时荧光峰的强度、位置、形状以及数量发生变化，影响最终检测结果的可靠性。研究选取pH值、浓度作为控制变量进行的研究。

2.2.1不同浓度腐殖酸三维荧光谱的研究

在不同腐殖酸浓度下三维荧光光谱的荧光特征如表1和图2所示。通过寻峰法得到四种荧光峰，分别为类腐殖酸、类富里酸、类胡敏酸和类络氨酸。其类腐殖酸为主要荧光峰，峰值出现在Ex/Em=265nm/430nm；当腐殖酸浓度过高时，腐殖酸三维荧光光谱特征出现肩峰类胡敏酸，峰值出现在Ex/Em=370nm/475nm；当腐殖酸浓度过低时，腐殖酸三维荧光光谱特征出现肩峰类络氨酸，峰值出现在Ex/Em=245nm/305nm。当腐殖酸浓度为2mg/L～20mg/L时，荧光峰的位置基本没发生变化，当浓度为50mg/L时，荧光峰位置出现略微红移。荧光强度随腐殖酸浓度变化如图3（b）所示，腐殖酸浓度≤20mg/L时，荧光强度随腐殖酸浓度增加而上升，成一定的线性关系；腐殖酸浓度为50mg/L时，荧光强度明显下降。

随着腐殖酸浓度的增加，腐殖酸溶液中的溶质分子逐渐增多，荧光物质分子间碰撞的概率大大增加，这样会导致能量从荧光物质分子转移到溶质分子，而不是通过辐射的方式释放能量。这种非辐射转移会使荧光物质分子的能量水平下降，从而使物质发射荧光的强度降低，荧光峰位置发生红移现象。

总体而言，腐殖酸浓度的增加将导致荧光物质分子的能量水平降低，使荧光强度降低，并引起荧光峰位置的红移。

2.2.2腐殖酸在不同pH条件下三维荧光谱的研究

在不同pH条件时三维荧光的荧光峰位置如图2所示。pH =4时，腐殖酸的荧光峰位置在Ex/Em=245nm/410nm，所代表物质为类富里酸，表明了腐殖酸难溶于强酸；pH=6时，荧光峰位置发生位移，其位置为Ex/Em=265nm/435nm，所代表的物质是类腐殖酸，当pH≥6时，随着pH的升高，荧光峰位置基本没变化。但当pH=7时，低浓度腐殖酸出现新的峰Ex/Em=245nm/310nm，其代表物质为类酪氨酸。

荧光强度随pH变化如图3所示，当腐殖酸浓度为2mg/L、50mg/L时，荧光强度随pH的变化而变化不大；当腐殖酸浓度为5mg/L、10mg/L时，荧光强度随pH的增大而增大，结果与大多数研究结果一致[6]；当腐殖酸浓度为20mg/L时，酸性条件下荧光强度随pH的增大而增大，而碱性条件下荧光强度随pH的增大而减小。这可能是由于腐殖酸分子表面含有大量羧基官能团，这些官能团会导致荧光信号猝灭或增强，并且在不同的酸碱度环境下，腐殖酸分子内部结构也有所改变，从而引起荧光强度的变化。

2.2.3平行因子组分分析

通过PARAFAC算法对不同pH、不同浓度腐殖酸样品的三维荧光光谱进行分析，得到三种荧光组分（C1、C2、C3），如图4所示。使用OpenFluor在线数据库将得到的3种组分与已发布的PARAFAC模型进行比较，可知C1（Ex/Em=260nm/440 nm）为类腐殖酸组分，C2（Ex/Em=300nm，360nm～400nm/500nm）为类富里酸组分，C3（Ex/Em=<250nm/300nm）为类络氨酸组分。与寻峰法得到的荧光峰几乎一致。

2.3腐殖酸三维荧光光谱参数与水质指标的关系

为了研究三维荧光光谱参数与水质指标间的关系，文章分别以区域积分的各个区域体积（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V）和荧光组分（C1、C2、C3）为自变量，以COD、CODM和DOC为因变量进行了多元线性回归模型分析。结果如表2所示，COD、CODM及DOC浓度预测值与实际值均呈显著正相关（P<0.001），且R2值均大于0.8，表明各个水质指标与自变量的多元线性回归模型具有显著的统计学意义，用光谱参数预测水质指标COD、CODM及DOC的浓度有较好的效果。

受不同环境因素的影响，光谱参数及荧光强度发生改变，其对回归模型效果产生一定差异。当腐殖酸浓度为50mg/L时，其三维荧光的荧光强度明显下降；pH值大于8时，荧光强度随pH增大而减小，因此，研究做了不含腐殖酸浓度为50mg/L样品和不含pH =10样品的光谱参数线性回归模型对比分析。结果显示，不含pH=10和腐殖酸浓度为50mg/L样品的线性回归模型的拟合优度明显提高，其COD浓度预测值与实际值的相关系数由0.87上升到0.95；CODM浓度预测值与实际值的相关系数由0.87上升到0.97；DOC浓度预测值与实际值的相关系数由0.86上升到0.97。

通过以区域积分的各个区域体积和荧光组分两种不同自变量对比分析，以区域积分计算出的五个区域体积为自变量时，多元线性回归模型预测R2值为0.87。以PARAFAC算法计算出的荧光组分为自变量时，多元线性回归模型预测R2值为0.99。说明以荧光组分为自变量时，多元线性回归模型对水质指标预测效果更好。可能在进行荧光区域积分时，荧光峰重叠问题难以解决，PARAFAC算法能将重叠的荧光特征峰信息分开。与周铭睿等研究农村污水COD预测回归模型的结论类似。

3结论

腐殖酸浓度小于20mg/L时，COD浓度随pH增大而先降低后上升，腐殖酸浓度大于20mg/L时，COD浓度随pH增大而上升的趋势。在pH在4～10范围内日寸，对CODM指标影响并不明显。腐殖酸浓度升高时，荧光特征峰出现红移现象，荧光强度随腐殖酸浓度先上升后下降；pH值的增大时，腐殖酸浓度小于20mg/L时，荧光强度随pH增大而升高，大于等于20mg/L时，荧光强度先上升后下降。三维荧光光谱数据对预测COD、CODMn DOC水質指标有较好的预测效果。然而，当腐殖酸溶液pH和浓度较高时，对三维荧光光谱特征产生影响，降低多元线性回归模型预测COD、CODM、DOC水质指标的拟合优度。此外，通过PARAFAC算法得到的荧光组分作为自变量时，多元线性回归模型在预测水质指标COD、CODM、DOC方面效果更好。