陳彥潔，崔育倩，李青松，李博強(qiáng)，王吉蘋，陳國(guó)元，廖 杰，李國(guó)新

1.青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266071 2.廈門理工學(xué)院水資源環(huán)境研究所，福建 廈門 361024 3.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014

引 言

溶解性有機(jī)物(dissolved organic matter，DOM)在地表水中分布廣泛，其主要成分包括腐殖質(zhì)類、多肽蛋白質(zhì)類以及某些溶解性微生物代謝產(chǎn)物，這些物質(zhì)具有大量的含氧、氮、硫等元素的官能團(tuán)，凈水處理消毒過程中DOM往往會(huì)生成具有潛在致癌致畸變等作用的消毒副產(chǎn)物(DBPs，主要為三鹵甲烷、鹵乙酸等)[1-2]，嚴(yán)重威脅到人體健康。此外，DOM是生物和非生物系統(tǒng)之間的聯(lián)系，通過影響金屬的賦存狀態(tài)，進(jìn)而影響其化學(xué)毒性、遷移率和生物利用度[3]。近年來河流湖泊水體中DOM含量呈現(xiàn)快速、明顯的上升趨勢(shì)。以鄱陽(yáng)湖為例，由于外源氮的輸入，引起DOM中類腐殖質(zhì)及類酪氨酸等物質(zhì)含量上升[7]，潛在風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。因此，探明水體中DOM污染狀況，針對(duì)性選擇適合的水處理工藝對(duì)于保障居民飲水安全具有重要意義[4]。此前，DOM被認(rèn)為是一種相對(duì)惰性的生物代謝產(chǎn)物，難以對(duì)其進(jìn)行深入研究和分析，然而，熒光光譜技術(shù)的不斷發(fā)展和光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使有機(jī)物質(zhì)及其在水中的分布和變化能夠得到更詳細(xì)的表征。三維熒光技術(shù)可以快速高效的表征DOM的組分和種類，近年來被廣泛用于DOM檢測(cè)與分析[5-6]。

實(shí)驗(yàn)采用三維熒光光譜結(jié)合熒光區(qū)域積分的分析方法(3-DEEM-FRI)，對(duì)廈漳地區(qū)水源地水體中DOM各組分進(jìn)行表征，并結(jié)合其熒光特性討論了DOM的種類、來源、性質(zhì)及其與水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系，以期為水源水體的污染源分析提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品處理

所用水樣于2019年7月中旬分別取自廈漳地區(qū)的江東泵站、北溪水閘、汀溪水庫(kù)、蓮花水庫(kù)、坂頭水庫(kù)和石兜水庫(kù)，其中江東泵站及北溪水閘主干為九龍江，是廈漳地區(qū)主要水源地，水體流動(dòng)性較強(qiáng)，流域人口占全省人口15%以上，經(jīng)濟(jì)總量占全省25%以上。水樣采集后立即用棕色采樣瓶運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜過濾后置于4 ℃環(huán)境保存，并盡快進(jìn)行分析測(cè)定。采樣點(diǎn)具體位置如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites

1.2 方法

按照Chen[8]等提出的熒光區(qū)域積分(FRI)分析法，將熒光區(qū)域按照激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的不同范圍劃分為五個(gè)部分，分別為：代表熒光類蛋白組分的區(qū)域Ⅰ(酪氨酸)和區(qū)域Ⅱ(色氨酸)、代表類富里酸組分的區(qū)域Ⅲ、代表溶解性微生物代謝產(chǎn)物的區(qū)域Ⅳ以及代表類腐殖酸組分的區(qū)域Ⅴ，可通過對(duì)各區(qū)域熒光強(qiáng)度進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)對(duì)DOM的定性及半定量分析。具體分區(qū)情況如表1所示。

表1 熒光積分區(qū)域分區(qū)情況Table 1 Fluorescence integral region partition

積分公式如式(1)—式(4)

Φi，n=MFiФi

(1)

(2)

(3)

Pi，n=Φi，n/ΦT，n×100%

(4)

式中，Фi為區(qū)域i的積分體積；Фi,n為區(qū)域i的標(biāo)準(zhǔn)化積分體積；MFi為倍增因子，它等于區(qū)域i積分面積占總區(qū)域積分面積之比的倒數(shù)；I(λexλem)是激發(fā)-發(fā)射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度；ФT,n為總熒光區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化積分體積；Pi,n為區(qū)域i標(biāo)準(zhǔn)化積分體積占總標(biāo)準(zhǔn)化積分體積之比。分析圖表的繪制均采用OriginPro9.0軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體DOM的熒光光譜特性及區(qū)域積分

DOM的三維熒光特征光譜圖以及通過FRI法所得DOM的標(biāo)準(zhǔn)熒光積分體積與各熒光區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)積分體積占總積分體積的比例如圖2所示。

由圖2可知，六個(gè)采樣點(diǎn)水樣的三維熒光特性具有明顯的差異。各采樣點(diǎn)水樣均檢出熒光峰C1(熒光類蛋白質(zhì)組分Ⅰ，酪氨酸)和熒光峰C2(熒光類蛋白質(zhì)組分Ⅱ，色氨酸)，其中江東、北溪采樣點(diǎn)的峰C1和C2熒光強(qiáng)度相對(duì)較弱(300～400)，而石兜水庫(kù)采樣點(diǎn)的峰C1和C2熒光強(qiáng)度則遠(yuǎn)大于1 500。類富里酸組分的熒光峰C3在六個(gè)采樣點(diǎn)水體中均有出現(xiàn)，且強(qiáng)度不等，其中石兜采樣點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最大(900～1 000)；溶解性微生物代謝產(chǎn)物(峰C4)多為水中微生物于近期通過代謝分解等活動(dòng)產(chǎn)生，水生微環(huán)境對(duì)該組分的影響較大[8]，蓮花水庫(kù)、坂頭水庫(kù)、石兜水庫(kù)水體均有C4峰出現(xiàn)，其中石兜水庫(kù)水體的C4峰范圍最廣，相對(duì)熒光強(qiáng)度最大(400～500)，推測(cè)該水體近期微生物活動(dòng)較強(qiáng)烈；類腐殖酸組分(熒光峰C5)在六個(gè)采樣點(diǎn)水體檢出均不明顯。

圖2 各水樣三維熒光特征光譜圖(a—f)Fig.2 3-DEEM spectra of water samples

不同采樣點(diǎn)的ФT,n有所差異[圖3(a)]，其中石兜水庫(kù)采樣點(diǎn)的ФT,n最大(280 476)，其次為坂頭水庫(kù)(247 836)、蓮花水庫(kù)(215 798)、汀溪水庫(kù)(204 409)和北溪水閘(159 122)采樣點(diǎn)，而江東泵站采樣點(diǎn)最小(139 005)。Baker[9]等認(rèn)為蛋白質(zhì)是水體污染物的主要成分，因此受污染嚴(yán)重的水體類蛋白質(zhì)組分具有較高的熒光強(qiáng)度，所以Ф1,n和Ф2,n也相對(duì)較大，原因可能是坂頭-石兜水庫(kù)浮游動(dòng)植物大量繁殖產(chǎn)生較多的代謝產(chǎn)物，且近年來水庫(kù)周邊人類生產(chǎn)等活動(dòng)較多，增加了外部碳源和氮源的輸入，從而加重水體污染程度。

如圖3(b)所示，各采樣點(diǎn)水體熒光類蛋白質(zhì)組分的積分占比(P1,n+P2,n)均在60%以上，類富里酸組分、溶解性微生物代謝產(chǎn)物組分的積分占比(P3,n和P4,n)都在10%～20%之間，而類腐殖酸組分的積分占比(P5,n)均小于6%，表明熒光類蛋白質(zhì)組分在采樣點(diǎn)水體DOM中占主體地位，類腐殖質(zhì)組分的含量較少。而關(guān)于鏡泊湖水體的研究結(jié)果則表明DOM以類腐殖酸組分為主[10]，原因可能是因?yàn)殓R泊湖水體環(huán)境與土壤性質(zhì)與本研究所涉及的江河水庫(kù)差異巨大，且氣候、采樣季節(jié)以及污染物來源等均有所不同。而關(guān)于太湖水源水[11]及同樣位于東北地區(qū)的遼河七星濕地水體DOM的研究結(jié)果[12]則與本研究具有類似的結(jié)論，這說明DOM主要受排放源類型和水體底泥土壤性質(zhì)及水中微生物活動(dòng)的影響。

圖3 各水樣標(biāo)準(zhǔn)熒光積分體積(a)及各區(qū)域積分占比情況(b)Fig.3 Nomalized fluorescence integral volume and the proportion of each region of water samples

各熒光區(qū)域積分體積之間的相關(guān)性分析見表2，六個(gè)采樣點(diǎn)水樣Ф1,n，Ф2,n和Ф4,n三者之間的相關(guān)性顯著(R2>0.8)，其中組分Ⅰ與組分Ⅳ之間的R2高達(dá)0.970 36，組分Ⅱ與組分Ⅳ之間的R2=0.804 16，而Ф3,n，Ф5，n之間以及其二者與Ф1,n，Ф2,n，Ф4,n之間的相關(guān)性較差(R2<0.25)。這表明熒光類蛋白質(zhì)組分(組分Ⅰ酪氨酸、組分Ⅱ色氨酸)與溶解性微生物代謝產(chǎn)物(組分Ⅳ)之間具有同源性，類腐殖酸、類富里酸和熒光類蛋白質(zhì)組分的來源則有所不同，說明水體中熒光類蛋白質(zhì)組分與溶解性微生物代謝產(chǎn)物組分同屬內(nèi)源輸入，主要為浮游生物分解代謝產(chǎn)生；類腐殖酸和類富里酸等污染物則主要為陸源輸入，且陸源輸入途徑也具有多樣性。

表2 各區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)熒光積分體積之間的相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 The correlation analysis results between regions

2.2 水質(zhì)指標(biāo)及熒光特征參數(shù)分析

UV254、SUVA、熒光指數(shù)(FI)、生物源指數(shù)(BIX)、腐殖化指數(shù)(HIX)以及新鮮度指數(shù)(β∶α)等指標(biāo)和熒光特征參數(shù)，可在一定程度上反映水體中DOM來源特征以及變化趨勢(shì)，相關(guān)水質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 水質(zhì)指標(biāo)及熒光特征參數(shù)Table 3 Indicators and fluorescence characteristics of water samples

SUVA的定義為UV254與TOC 的比值，即單位總有機(jī)碳的紫外吸光度。SUVA值越大，表明DOM含有的苯環(huán)更多且結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，水體的芳香化(腐殖化)程度更高[13-14]。調(diào)查結(jié)果表明SUVA與類腐殖質(zhì)組分積分體積占比(P3,n+P5,n)之間具有一定的相關(guān)性(圖4，R2=0.703 25)，表明類腐殖質(zhì)組分的相對(duì)含量是影響DOM腐殖化程度的主要因素，這與Huguet[15]等(腐殖化程度高的水體DOM以陸源輸入為主)的結(jié)論類似。另有相關(guān)研究表明SUVA與消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)之間密切相關(guān)[16-17]，因此(P3,n+P5,n)可作為消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)的一種代替指標(biāo)。

圖4 SUVA與類腐殖質(zhì)組分的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of SUVA and humus-like components

FI是指Ex=370 nm時(shí)，Em=450和500 nm處熒光強(qiáng)度的比值，F(xiàn)I在1.4附近可作為水體DOM中類腐殖質(zhì)組分主要為陸源腐殖質(zhì)的標(biāo)志，在1.9附近則是生物源腐殖質(zhì)的標(biāo)志。由表3可知，江東、北溪、汀溪和蓮花四處采樣點(diǎn)的FI接近1.4，說明調(diào)查點(diǎn)水樣腐殖質(zhì)以陸源輸入為主，而坂頭、石兜的FI更接近于1.9，表明其水樣腐殖質(zhì)以內(nèi)源產(chǎn)生為主。相關(guān)研究表明，內(nèi)源類腐殖酸組分主要是由河道底泥中有機(jī)質(zhì)在微生物作用下產(chǎn)生并通過擴(kuò)散作用進(jìn)入上覆水體中[18]。

BIX是指Ex=310 nm時(shí)，Em=380 nm和Em=430 nm處熒光強(qiáng)度的比值，其值大于1表明DOM主要為自生源，位于0.6～0.8之間則代表以陸源輸入為主。各調(diào)查點(diǎn)水樣的BIX均小于1，其中北溪采樣點(diǎn)BIX小于0.8，其他采樣點(diǎn)在0.8～1.0之間，表明采樣點(diǎn)水樣DOM具有較強(qiáng)的自生源特征，說明水體中水生植物及浮游微生物代謝活動(dòng)較強(qiáng)。

HIX為Ex=254 nm時(shí)，Em在435～480 nm之間的熒光強(qiáng)度積分值除以300～345 nm之間的熒光強(qiáng)度積分值。HIX既可作為評(píng)價(jià)DOM腐殖化程度的指標(biāo)，也可在一定程度上反應(yīng)出DOM的來源情況，HIX數(shù)值越高表明DOM腐殖化程度越高。由表3可知江東、北溪以及蓮花采樣點(diǎn)HIX值均大于2，表明這三個(gè)采樣點(diǎn)水樣的腐殖化程度較高，陸源DOM輸入占比較大，受人類活動(dòng)影響較大。

β∶α是指Ex=310 nm時(shí)，Em=380 nm的熒光強(qiáng)度除以Ex位于420～435 nm之間的最大熒光強(qiáng)度的值，該指數(shù)可以反應(yīng)新生成的DOM占DOM總量的多少，其中β代表新近生成的DOM，α代表降解程度較高的DOM。調(diào)查表明，石兜水庫(kù)采樣點(diǎn)水體中新生成DOM所占的比例較大(β∶α=0.97)，北溪、江東采樣點(diǎn)新生成DOM所占比例則相對(duì)較少，結(jié)合HIX數(shù)值進(jìn)行分析，說明了新生成的DOM腐殖化程度比較低，腐殖化程度高的水體其DOM存在時(shí)間較長(zhǎng)，難以降解。

熒光特征參數(shù)中FI較大時(shí)，說明水體自生源DOM占比較大，自生源DOM的腐殖化程度通常遠(yuǎn)低于陸源DOM，因此其腐殖化程度也會(huì)偏低，從而FI與HIX之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性；生物源指數(shù)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謝近期活動(dòng)中生成的代謝產(chǎn)物，因此BIX與β∶α正相關(guān)。FI與HIX之間的R2=0.621 54，BIX與β∶α之間的R2=0.839 82，其他參數(shù)之間的相關(guān)性較差(表4)，這與此前的相關(guān)研究的結(jié)果(受人為活動(dòng)影響較大的水體FI值高，BIX值高且與β∶α正相關(guān))一致[19]。

表4 各參數(shù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果Table 4 The correlation analysis results between the parameters

如圖5(a)所示，TOC與Ф1,n，Ф2,n，Ф4,n及ФT,n之間呈顯著正相關(guān)，R2分別為0.959 61，0.875 03，0.938 05和0.979 34，這表明總標(biāo)準(zhǔn)熒光積分體積、熒光類蛋白質(zhì)組分以及溶解性微生物代謝產(chǎn)物組分與TOC的含量密切相關(guān)，其中TOC與ФT,n的R2最高。TOC與Ф3,n，Ф5,n之間相關(guān)性較差(R2<0.3)，這可能與類腐殖質(zhì)組分(類富里酸組分以及類腐殖酸組分)的含量太少有關(guān)，且類腐殖質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)復(fù)雜，在生物學(xué)上屬于惰性物質(zhì)[20]，從而會(huì)對(duì)相關(guān)性造成一定影響。

圖含量與各區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)熒光積分體積的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between TOC (a)， (b) and the normalized fluorescence integral volume

3 結(jié) 論

(1) 各采樣點(diǎn)原水中熒光峰C1，C2和C3檢出明顯，C4和C5熒光強(qiáng)度較弱；DOM各組分中以熒光類蛋白質(zhì)組分為主，其次為類富里酸組分以及溶解性微生物代謝產(chǎn)物組分，類腐殖酸組分含量最少。

(2) 各采樣點(diǎn)水體FI，BIX和HIX等熒光特征參數(shù)有所差異，DOM具有顯著的陸源和自生源混合輸入的特征，熒光類蛋白質(zhì)組分與溶解性微生物代謝產(chǎn)物組分之間具有同源性，主要為內(nèi)源輸入，類腐殖酸與類富里酸則以不同途徑的外源輸入為主。