張柳青, 彭 凱, 楊 艷, 石 玉, 李元鵬, 周 蕾, 周永強(qiáng)*, 張運(yùn)林

1. 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008 2. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637000 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

有色可溶性有機(jī)物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)主要包括腐殖酸、富里酸、芳香烴類等物質(zhì)，是溶解性有機(jī)物(dissolved organic matter, DOM)中能夠強(qiáng)烈吸收紫外輻射及藍(lán)光波段的那部分有機(jī)物，影響水體中污染物的形態(tài)特征、遷移轉(zhuǎn)化過程以及初級(jí)生產(chǎn)者對(duì)光的利用[1]。微生物降解是影響CDOM歸趨的重要過程之一，也影響著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，對(duì)河流或湖泊的水質(zhì)優(yōu)劣起到重要作用[2]。國(guó)際上通常規(guī)定DOC生物可利用性(biodegradable DOC, BDOC)為CDOM在一定時(shí)間段內(nèi)(通常為28 d)能被微生物降解的程度[5]，聯(lián)合運(yùn)用EEMs-PARAFAC分析法能夠快速、準(zhǔn)確地解析出CDOM降解特征。Knapik[3]等對(duì)城市河流CDOM的生物降解研究，有助于了解城市河流中有機(jī)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制以及確定CDOM賦存量，Sleighter[4]等對(duì)河流CDOM生物可利用性進(jìn)行了研究。因此CDOM的生物可利用性的研究也是對(duì)認(rèn)識(shí)CDOM在水體環(huán)境中作用的前提。洪澤湖和駱馬湖是南水北調(diào)東線工程重要樞紐湖泊，其水質(zhì)關(guān)系到淮河流域經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)性發(fā)展以及南水北調(diào)的水質(zhì)安全。湖泊CDOM的生物可利用性直接影響湖泊污染物及重金屬輸移，以及營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)過程和浮游生物生長(zhǎng)，因而在很大程度上影響湖泊水質(zhì)。然而值得指出的是，目前對(duì)上述兩個(gè)湖泊CDOM 生物可利用性研究鮮有報(bào)道[6]。本文探討了不同水文情景下洪澤湖和駱馬湖CDOM經(jīng)過生物降解后組成結(jié)構(gòu)的變化特征及驅(qū)動(dòng)其生物降解作用的潛在機(jī)制，以期進(jìn)一步豐富洪澤湖和駱馬湖水環(huán)境相關(guān)資料，為更好的保護(hù)其水環(huán)境健康和湖泊生態(tài)系統(tǒng)以及制定合理的管理方案提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集與生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

圖1 洪澤湖和駱馬湖采樣點(diǎn)位置

1.2 水文數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)資料，包括2017年—2018年淮河、沂河兩個(gè)控制站(分別為蚌埠和臨沂)的月均流量和月均來水量以及淮河水系降雨量來自水利部淮河水利委員會(huì)(http://www.hrc.gov.cn/)。

1.3 CDOM參數(shù)測(cè)定

1.3.1 CDOM吸收光譜及DOC的測(cè)定

CDOM的吸收光譜采用Shimazdu UV-2550 UV-Vis分光光度計(jì)測(cè)定。特征吸收系數(shù)a(254)用于表征CDOM濃度，比紫外吸光度SUVA254指示水體的腐殖化程度，其值隨腐殖化程度的增加而增大，S275～295是由275～295 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收系數(shù)通過指數(shù)函數(shù)擬合得到的光譜斜率，其值越大，陸源類腐殖酸輸入信號(hào)越弱[7]。本研究使用生物培養(yǎng)前與培養(yǎng)后的差值，Δa(254)、ΔSUVA254和ΔS275～295等指標(biāo)來表征CDOM相對(duì)豐度、結(jié)構(gòu)組成的變化特征。DOC濃度利用島津總有機(jī)碳分析儀(TOC-L)在高溫環(huán)境下(680 ℃)測(cè)定，BDOC的計(jì)算方法為培養(yǎng)前DOC濃度減去培養(yǎng)后所得差值，將該差值除以初始DOC濃度值再換算成BDOC的百分比。

1.3.2 三維熒光光譜測(cè)定及平行因子分析

采用F-7000型熒光光度計(jì)(Hitachi公司)測(cè)定樣品CDOM熒光激發(fā)-發(fā)射光譜矩陣(excitation-emission matrices, EEMs)。設(shè)置激發(fā)光譜范圍200～450 nm，間隔5 nm； 發(fā)射光譜范圍250～600 nm，間隔1 nm。首先從測(cè)得的三維熒光光譜中扣除超純水(Milli-Q)空白EEMs以進(jìn)行水拉曼散射校正，并用當(dāng)天測(cè)定的超純水EEMs中350 nm下的熒光強(qiáng)度將當(dāng)天所有EEMs定標(biāo)為拉曼單位(Raman unit，R.U.)。然后采用MATLAB軟件中的drEEM工具包通過切除及插值的辦法進(jìn)行瑞利散射校正，內(nèi)濾波效應(yīng)采用每個(gè)樣品EEMs激發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)處相對(duì)應(yīng)的吸光度進(jìn)行校正[8]。

采用MATLAB R2015b的drEEM工具箱(ver.0.2.0)對(duì)178個(gè)(培養(yǎng)前后洪澤湖共84個(gè)，駱馬湖94個(gè))EEMs矩陣進(jìn)行運(yùn)算，每個(gè)矩陣對(duì)應(yīng)251個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)、45個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)。數(shù)據(jù)被剖分成6個(gè)隨機(jī)子集，取3個(gè)子集用于建模，另外3個(gè)用于模型驗(yàn)證，每個(gè)EEMs子集均從3個(gè)組分逐步到6個(gè)組分檢驗(yàn)，最終確定了3個(gè)組分模型足夠解釋> 99%的EEMs信號(hào)。本文采用熒光組分的最大熒光強(qiáng)度(Fmax)表征各組分熒光強(qiáng)度[9]。使用生物培養(yǎng)前與培養(yǎng)后各組分Fmax的差值與培養(yǎng)前組分Fmax比值的百分比，即%ΔC1，%ΔC2和%ΔC3來表征各熒光組分的生物可利用性特征。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS23.0軟件中獨(dú)立樣本t-test和Pearson相關(guān)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與圖表繪制采用Origin 9.5，采用MATLAB R2015b軟件的drEEM工具箱進(jìn)行平行因子分析建模。

圖2 2017年—2018年洪澤湖和駱馬湖月均流量、來水量以及淮河水系降雨量

Fig.2MonthlymeanflowrateofHuaiRiveratBengbuandYiRiveratLinyi,andthecorrespondinginflowdischargetothetwolakes(a)in2017—2018,andmonthlymeanrainfallofHuaiRiverwatershed(b)

2 結(jié)果與討論

2.1 水文特征及劃分

淮河和沂河分別是洪澤湖、駱馬湖的主要入湖河流?；春铀?月—9月降水量最高(88.7～179.2 mm)，1月—4月、10月—12月降水量在24.2～64.9 mm。5月—10月蚌埠站月均流量分別為873.5～2 325.5 m3·s-1，1月—4月、11月—12月較小(425.0～855.5 m3·s-1)，而臨沂站除7～9(51.35～186.5 m3·s-1)月外，其余時(shí)間月均流量較低且無明顯波動(dòng)。兩湖泊月均來水量變化規(guī)律與月均流量一致。本研究將2017年12月和2018年4月劃為枯水期，2018年6月～2018年9月劃為豐水期。

2.2 不同水文情景下CDOM生物可利用性特征

生物培養(yǎng)28 d后，不同水文情景下兩湖泊DOC和a(254)均低于培養(yǎng)前，且駱馬湖豐、枯水期DOC(t-test,p<0.05,p<0.001)和a(254)(t-test,p<0.01,p=0.004)培養(yǎng)后顯著降低(見表1)。由圖3(a)和(b)可知，兩湖泊BDOC和%BDOC在枯水期高于豐水期。枯水期輸入的DOC營(yíng)養(yǎng)限制低且冬季水樣中存在較多未被充分分解的有機(jī)物質(zhì)[10]?？菟诤闈珊?BDOC在湖區(qū)分布較一致，因枯水期來水量和降雨量較低，湖泊水體交換緩慢，CDOM生物可利用性在空間上受影響較小[11]。豐水期7月和9月洪澤湖在湖區(qū)東南部%BDOC較低，而8月在北部和中部湖區(qū)較低[圖4(c)—(e)]，這可能是夏季光照充足，遷移至出湖區(qū)域輸出大量降解比較充分的CDOM[12]。駱馬湖枯水期%BDOC由北向南逐漸降低，表明入湖區(qū)域CDOM生物可利用性較高，且遷移過程會(huì)降低CDOM的生物可利用性。駱馬湖豐水期7月和8月%BDOC也在入湖區(qū)域較高，意味著遷移過程中CDOM不斷被降解，與洪澤湖相似[圖4(h)—(j)]。

圖3 不同水文情景BDOC和%BDOC的變化特征

表1 不同水文情景洪澤湖和駱馬湖生物培養(yǎng)28 d前后DOC,a(254)，SUVA254和S275～295的顯著性水平t檢驗(yàn)

Table1Thet-testofthemeanofDOC,a(254),SUVA254,andS275～295pre-andpost-28daysofbio-incubationofLakeHongzeandLakeLuomaindifferenthydrologicalscenarios

2.3 熒光組分變化特征

2.3.1 EEMs-PARAFAC熒光組分鑒別

對(duì)培養(yǎng)前后的全部水樣熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMs-PARAFAC分析鑒定出紫外區(qū)類腐殖質(zhì)C1(λEx/λEm=250/420 nm)，類色氨酸C2(λEx/λEm=230，285/348 nm)和類酪氨酸C3(λEx/λEm=275/316 nm)3個(gè)熒光組分[6, 9](圖5)。組分C1來源于陸源輸入，還包括微生物作用后或浮游植物的降解產(chǎn)生，類蛋白組分C2和C3普遍存在淡水和海水中，與浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力、微生物礦化以及人類污染物排放等過程相關(guān)[6]。

2.3.2 不同水文情景下熒光組分生物可利用性特征

由圖6和表2可知，枯水期駱馬湖類酪氨酸熒光強(qiáng)度顯著低于培養(yǎng)前(t-test,p<0.001)，類腐殖質(zhì)和類色氨酸顯著增多(t-test,p<0.001,p=0.002)。洪澤湖熒光組分變化規(guī)律與駱馬湖相同，這意味著兩湖泊類酪氨酸的活性較高，導(dǎo)致類腐殖質(zhì)累積。而豐水期洪澤湖兩種類蛋白熒光組分和駱馬湖類色氨酸熒光強(qiáng)度略微高于培養(yǎng)前，Wilson[14]等也有相同的發(fā)現(xiàn)，這與不同季節(jié)CDOM來源的差異以及細(xì)菌的裂解作用有關(guān)。此外，不同水文情景下兩湖泊ΔSUVA254為負(fù)值，其中枯水期兩湖泊SUVA254顯著高于培養(yǎng)前(t-test,p<0.001,p=0.003)。除洪澤湖豐水期外，兩湖泊ΔS275～295均為正值，且駱馬湖豐、枯水期樣品S275～295值均顯著低于培養(yǎng)前(t-test,p<0.05,p=0.007)(表1)。表明CDOM微生物降解活性變低且腐殖化程度增加，進(jìn)一步印證微生物作用導(dǎo)致不穩(wěn)定組分向穩(wěn)定組分的轉(zhuǎn)化，即類腐殖質(zhì)的累積[13]。

圖4 洪澤湖和駱馬湖%BDOC時(shí)空分布

圖5 采用對(duì)半分析和隨機(jī)初始化驗(yàn)證PARAFAC模型得到3類熒光組分

2.4 相關(guān)性分析

洪澤湖、駱馬湖在不同水文情景下BDOC和%BDOC分別與ΔSUVA254顯著負(fù)相關(guān)，BDOC與ΔC3和%ΔC3均顯著正相關(guān)，%BDOC與ΔC3和%ΔC3也成顯著正相關(guān)，進(jìn)一步印證了不同水文情景下兩個(gè)湖泊微生物對(duì)類酪氨酸利用性較強(qiáng)，微生物作用會(huì)增加CDOM的腐殖化程度(見圖7)。

3 結(jié) 論

洪澤湖、駱馬湖枯水期CDOM生物可利用性高于豐水期，并且在不同水文情景微生物作用28 d后SUVA254均增大，尤其是枯水期類酪氨酸組分Fmax顯著降低和類腐殖質(zhì)Fmax的增加，表明了兩湖泊微生物會(huì)優(yōu)先利用不穩(wěn)定的類酪氨酸，并轉(zhuǎn)化為類腐殖酸，因而培養(yǎng)后CDOM樣品腐殖化程度有所升高。豐水期兩湖泊類蛋白組分經(jīng)生物培養(yǎng)后Fmax有所增加，不同季節(jié)CDOM來源存在差異，影響了CDOM生物可利用性。

圖6 生物培養(yǎng)28 d前后洪澤湖和駱馬湖不同水文情景下3種熒光組分的變化

Fig.6VariabilityofthethreefluorescentcomponentsofLakeHongzeandLakeLuomapre-andpost-28daysofbio-incubationindifferenthydrologicalscenarios

致謝： 感謝鄒偉、郭銳、邢曉晟、劉寧超及張成英等同志在野外及室內(nèi)試驗(yàn)過程中給予的幫助。

表2不同水文情景洪澤湖和駱馬湖生物培養(yǎng)28 d前后熒光組分t檢驗(yàn)

Table2Thet-testbetweenthemeanofthethreefluorescentcomponentspre-andpost-28daysofbio-incubationofLakeHongzeandLakeLuomaindifferenthydrologicalscenarios

地點(diǎn)時(shí)間C1/R.U.C2/R.U.C3/R.U.洪澤湖豐水期枯水期0 d0.77±0.150.43±0.150.31±0.1528 d0.74±0.140.44±0.130.38±0.14p>0.05>0.05>0.050 d0.53±0.200.41±0.150.31±0.1528 d0.58±0.200.58±0.640.26±0.14p>0.05>0.05>0.05駱馬湖豐水期枯水期0 d0.62±0.120.60±0.100.58±0.1928 d0.62±0.130.64±0.130.53±0.13p>0.05>0.05>0.050 d0.45±0.090.61±0.090.58±0.0928 d0.60±0.070.70±0.080.44±0.05p<0.001=0.002<0.001

圖7 BDOC和%BDOC分別與ΔSUVA254，ΔC3，%ΔC3的相關(guān)關(guān)系