太湖水体溶解性有机质荧光特征及其来源解析

利用三维荧光光谱(3DEEM)-平行因子分析(PARAFAC)技术,通过野外现场调查和室内模拟实验,分析富营养化湖泊(太湖)水体溶解性有机质(DOM)组成结构、分布规律及其来源,进一步研究藻类和水生植物残骸腐烂分解以及沉积物释放对水体DOM荧光组成特征的影响.结果表明:1太湖水体各个湖区DOM主要以类色氨酸物质(T1、T2峰)为主,竺山湾还存在类腐殖质和类富里酸物质,其荧光指数(f450/500)为1.53±0.06,接近陆源f450/500值(1.4),DOC浓度全湖最高((7.13±2.45)mg·L-1),兼具陆源与生物来源的双重特性.2太湖藻类DOM组成丰富,出现了7种荧光组分,主要为类腐殖质、类富里酸和类蛋白物质(包括类色氨酸和类酪氨酸),藻类腐烂分解后,紫外区类色氨酸T2峰和类酪氨酸B2峰消失,其他类蛋白物质和部分易降解的类富里酸物质向水体中释放,其中A峰和C峰所代表的类富里酸物质降解率较高,分别降解了70.3%和41.0%.3水生植物DOM以类腐殖酸物质为主,其残骸腐烂分解后DOM由陆源类腐殖质向类腐殖酸物质转化.4沉积物DOM出现了5类荧光峰,兼具外源污染的类富里酸荧光C峰和A峰,同时含有生物来源的B1、B2、T2类蛋白荧光峰,随其降解时间的增长,T2荧光峰消失,B1、B2荧光物质降解率分别高达86.5%和82.5%,而C峰和A峰分别上升25.1%和1.5%,沉积物降解过程中大量类蛋白物质向上覆水体中释放,同时部分类蛋白物质向着更稳定的类富里酸物质转化.因此,外源输入和内源负荷(藻类和水生植物残骸腐烂分解以及沉积物释放等)对湖泊水体DOM组成结构以及富营养化过程具有重要影响.     

西北内陆小流域水体DOM三维荧光光谱特征

利用三维荧光光谱与平行因子分析结合,文章对西北内陆小流域15个采样点的表层水体溶解性有机物(DOM)的荧光光谱特征、组成成分、荧光强度进行研究,并结合常规水质指标,利用相关性分析法对研究河段DOM来源特征进行探讨。结果表明:受人类活动及企业、农业污染点源的中下游研究河段COD浓度值偏高,TN浓度呈递减趋势;水体DOM主要存在3种荧光峰,分别是类腐殖质荧光峰A、类富里酸荧光峰C及类蛋白荧光峰T,且DOM的沿程分布存在差异性,类腐殖质组分表现为:中游>下游>上游,分析发现,DOM来源既有人类活动参与,又有内部微生物活动共同作用。平行因子分析方法解析出水体中DOM主要包含3种组分:类腐殖酸组分C1、类色氨酸组分C2、类富里酸组分C3,在DOM组成中类腐殖酸所占比例高达41.52%,类色氨酸物质次之(29.91%),类富里酸所占比例为28.57%;3组荧光组分之间均有极显著相关性,说明类腐殖质同类蛋白质具有同源性,C1、C2、C3与总磷呈正相关,表明水体中总磷含量产生的主要源头为可溶性有机物,DOC与3个组分的相关系数较高,故可以用荧光组分作为水体中DOC指标的有效示踪。     

污泥热水解过程中有机物分子量和荧光特征变化规律

运用三维荧光光谱技术对污泥热水解过程中不同分子量范围内有机物的荧光特性进行了研究.结果表明,在原污泥和热水解污泥各分子量范围内均有4 个明显的荧光峰:Peak A [Ex/Em 为(240~260nm)/(379~457nm)]、Peak B [Ex/Em 为(275~290nm)/(305~351nm)]、Peak C[Ex/Em 为(315~340nm)/(372~445nm)]和Peak D [Ex/Em 为(350~425nm)/(438~495nm)],分别为紫外区类富里酸荧光、类蛋白荧光、可见区类富里酸荧光、类腐殖酸荧光.污泥中的类富里酸荧光物质和类腐殖酸荧光物质在热水解过程中发生的主要反应是溶解液化,而类蛋白荧光物质发生的主要反应是水解反应.     

荧光光谱结合平行因子分析研究夏季周村水库溶解性有机物的分布与来源

利用三维荧光光谱(EEMs)并结合平行因子分析(PARAFAC)模型,解析了2015年8月夏季周村水源水库中溶解性有机物(DOM)的组分并利用主成分分析法对影响水体DOM的主要因素及其相对贡献量进行了研究.结果表明,周村水库水体中的DOM可分为3个组分,分别为类富里酸荧光组分C1(260,350/420 nm)、类蛋白荧光组分C2(280/360 nm)和类腐殖酸组分C3(270,390/530 nm),且3个组分具有同源性;各组分平面分布均匀,入库口总荧光强度略高;较高的荧光指数FI,较高的自生源指标BIX,较低的腐殖化指标HIX以及接近于1的新鲜度指数(β∶α)综合表明夏季周村水库DOM的来源以自生源为主,并结合主成分分析得出,内源对DOM贡献率高达70.96%.与此同时,周村水库水体DOM各组分与aph(440)拟合相关性较好.因此可以通过对DOM三维荧光光谱的研究,有助于水库管理者更有目的地进行污染源的控制和治理,同时可以在一定程度上指示周村水库水体富营养化水平.     

分层型水源水库溶解性有机物性质及其膜污染特性

利用激发-发射矩阵(EEM)荧光光谱和紫外吸收光谱研究了深水型水源水库热分层期溶解性有机物(DOM)性质及其膜污染特性随水深的变化.结果表明,水体热分层导致DOM质量浓度和性质也表现出分层特征.变温层受光化学降解影响较大,DOM质量浓度较低,同时受藻类等浮游植物分泌的内源有机物影响,DOM芳香度较低,类富里酸有机物(C1组分)和类腐殖酸有机物(C2组分)荧光强度较低,但类色氨酸有机物(C3组分)荧光强度较高;斜温层DOM受径流输入影响较大,DOM质量浓度和芳香度较高,C1和C2组分荧光强度较高.膜污染方面,变温层DOM造成的总污染最大,但可逆性较好,斜温层和等温层DOM造成的总污染较低,但可逆性较差;对超滤过程中不同荧光组分迁移的分析表明,超滤膜对C3组分截留率较高,但反冲洗对被截留的C3组分去除效果较好,而被膜截留的C1和C2组分较难被反冲洗去除.     

超滤、三维荧光光谱与高效体积排阻色谱联合表征地表水环境中溶解有机质的性质

超滤、三维荧光光谱以及高效体积排阻色谱3种研究方法的结合可以表征不同类型荧光物质的相对分子质量分布规律,进而揭示它们的来源以及组分差异.用截留相对分子质量为1 000的再生纤维素超滤膜对几种不同类型地表水体中的溶解有机质进行分离后,利用三维荧光光谱以及相对分子质量分布特征谱图表征超滤完成后滞留液中相对分子质量较高的组分和渗透液中相对分子质量较低的组分中溶解有机质的性质.结果发现,湖北神农架大九湖沼泽水中原先被强腐殖酸荧光吸收峰E(Ex/Em: 360 nm/462 nm)掩盖的类富里酸荧光吸收峰A(Ex/Em: 260 nm/450 nm)和C(Ex/Em: 320 nm/439 nm)以及类蛋白荧光吸收峰B(Ex/Em: 275 nm/312 nm)和D(Ex/Em: 220 nm/308 nm)因其相对分子质量较小而被分离进入渗透液中,可被荧光检测;贵州红枫湖南湖内源产生的类蛋白荧光吸收峰B(Ex/Em: 280 nm/334 nm)和D(Ex/Em: 225 nm/328 nm)在原水中含量太低,即使采用灵敏度高的荧光检测手段也很难从原水中直接鉴别出来,但超滤后却因其相对分子质量大而被保存在超滤滞留液中.此外,研究还发现不同来源的类富里酸荧光物质和类蛋白荧光物质其相对分子质量大小也存在差异.如红枫湖南湖内源产生的类蛋白荧光物质具有较大的相对分子质量分布,被保存在超滤滞留液中;而贵州阿哈湖外源输入的类蛋白荧光物质相对分子质量则较小,易通过超滤膜进入渗透液中.因此, 3种研究方法的联合可以为研究地表水体中溶解有机质的性质提供方便直接的定性信息.     

牛粪发酵沼液DOM与Fe(Ⅲ)离子络合机制研究

采用荧光光谱、红外光谱、平行因子(PARAFAC)分析及二维相关光谱(2D-COS)分析来解释Fe(Ⅲ)与牛粪发酵DOM的络合异质性及机制.结果表明,PAFAFAC能够识别6个荧光组分,包括类蛋白(C2)、类富里酸(C1)、类腐殖酸(C4、C5)、类蛋白与类富里酸和类腐殖酸结合的荧光组分(C3、C6).2D-SYS-COS分析仅能识别类蛋白和类富里酸荧光物质,DOM中类蛋白荧光为主要的荧光组分.2D-COS分析表明,在334nm处的类富里酸荧光组分优先与Fe(Ⅲ)离子发生络合作用,络合次序为334nm→306nm.DOM中能够优先与Fe(Ⅲ)发生络合作用的为仲铵盐-NH_2基团,各官能团组分与Fe(Ⅲ)发生络合作用次序为2265→2771→1528→1310→1805→1479cm~(-1).双对数模型计算结果表明牛粪发酵沼液DOM能够与Fe(Ⅲ)形成高化学稳定性的络合物,其络合常数在4.34～7.03之间,研究结果能够为沼液施用土壤金属离子的形态分布和迁移转化提供理论指导.     

天津市典型排污河水体中溶解性有机质的荧光分布特征分析

利用三维荧光光谱研究了天津市两条典型排污河(大沽排污河和北塘排污河)沿河水体中溶解性有机质(DOM)的荧光分布特征,并通过对荧光参数——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(r(A,C))和激发光波长370nm时荧光发射光谱强度在450nm与500nm处的比值(f450/500)的分析,探讨了水体中DOM的来源.结果表明,大沽排污河除中游个别位置外,其它位置水体均能检出紫外区类富里酸、类蛋白、可见光区类腐殖质、紫外区类腐殖质,总体上呈中游少、上下游多的特点;而北塘排污河水体中DOM的荧光峰从上游到下游呈增多趋势,但检出数量比较少.两条排污河水体中DOM均以紫外区类腐殖质最强.两条排污河水体中DOM的荧光强度与其水质参数之间存在显著相关性,而大沽排污河的相关系数更大.结合荧光参数r(A,C)和f450/500的分析和现场对入河排污口的调研,发现两条排污河的溶解性有机质来源均以入河排污口排污汇入(陆源)为主,另外还有少量沉积物有机质释放(微生物作用).     

典型可溶有机质与磺胺二甲嘧啶的络合作用研究

以藻源有机质(AOM)和腐殖酸(HA)作为典型生物大分子可溶有机质(DOM)和腐殖化DOM,采用荧光猝灭滴定和光谱分析考察磺胺二甲嘧啶(SMZ)与DOM的络合作用.三维荧光光谱结合平行因子分析显示AOM荧光组分主要由类酪氨酸和类色氨酸物质组成,而类富里酸和类腐殖酸物质是HA荧光组分的主要构成.4种荧光组分可与SMZ发生不同程度的静态猝灭,且猝灭过程中DOM分子构象改变.同步荧光光谱结合二维相关图谱进一步发现类酪氨酸优先于类色氨酸组分与SMZ发生络合作用.Ryan-Weber非线性模拟拟合表明AOM中各荧光组分与SMZ的络合稳定常数(logK)大小为:类富里酸(3.33)类酪氨酸(3.12)类色氨酸(2.15)类腐殖酸(1.57);而HA中大小为:类富里酸(3.06)类腐殖酸(2.02).总体上生物大分子DOM对SMZ的亲和力高于腐殖化DOM.DOM与SMZ的相互作用可改变水环境中抗生素的形态和归趋,影响其生物有效性和生态毒性.     

污水处理厂污泥水溶解性有机物的光谱特性分析

污泥水是污水处理厂污泥浓缩、稳定、脱水等环节产生的废水,具有污染物浓度高、成分复杂的特点.采用三维荧光光谱和红外光谱研究了污泥水中溶解性有机物(DOM)的光谱特性.污泥水荧光性DOM(FDOM)可利用平行因子分析划分为6个荧光组分,分别为类蛋白质组分C1(275/355 nm)、C4(235/350 nm)和C6(275/305 nm),及类腐殖酸组分C2(250,340/440nm)、C3(320/380 nm)和C5(250/465 nm).重力浓缩和机械浓缩污泥水中COD与所有类腐殖酸组分均正显著相关(P0.01),类蛋白质组分对其影响不大.离心脱水污泥水中组分C1、C4和C5含量明显上升.深度脱水污泥水中FDOM荧光峰位置和强度与其它污泥水存在显著差异,C3和C6分别较离心脱水污泥水升高15.63和7.30倍.与浓缩污泥水相比,离心脱水污泥水中多糖和腐殖酸吸收峰增强,而深度脱水污泥水中蛋白质大量释放,金属离子会与腐殖酸和蛋白质络合引起DOM结构变化.     

岷江上游水体中DOM光谱特征的季节变化

川西北高原湿地和高山峡谷区是岷江等河流重要集水区,地表水体中溶解性有机质(DOM)更多受环境背景影响,DOM来源与结构特征对认识流域有机碳输出通量及模式有重要意义.本文对岷江上游在4月(枯水期末)和10月(丰水期末)分别进行沿程地表水采样并测定了DOM三维荧光光谱(EEM),结合平行因子模型(PARAFAC)分析岷江上游水体DOM沿程和季节变化特征.结果表明,DOM荧光峰(类腐殖峰A、C和类蛋白峰B、T)沿程波动趋势和程度不同;枯水期末(4月)A、C峰强而丰水期末(10月)B、T峰强.PARAFAC识别出3个荧光组分,即C1(250~260/380~480 nm,类腐殖质,占比48.68%~65.02%),C2(300~330/380~480 nm,类腐殖质,占比23.17%~29.83%)和C3(270~280/300~350 nm,类蛋白质,占比11.83%~21.53%);枯水期末(4月)组分沿程波动更明显,其中C1沿程波动最显著.荧光指数(FI)均值在1.4~1.9之间,说明不同季节DOM均有内外源混合特征;枯水期末(4月)DOM腐殖化、芳香性和疏水性高,表明DOM陆源贡献更大,而丰水期末(10月)DOM自生源贡献比枯水期更高.CDOM浓度[a(355)]与类腐殖质浓度[Fn(355)]极显著正相关,这也证实岷江上游水体中DOM的陆源输入.C1、C2在枯水期末(4月)相关性极显著而丰水期末(10月)相关性未达到显著性水平,进一步表明岷江上游水体中DOM的外源性及季节性差异.     

松花湖沉积物溶解性有机质荧光光谱特性

溶解性有机质(DOM)对于湖泊的主要污染指标(如COD等)有着较大的影响,而沉积物亦是湖泊污染的主要来源,因此沉积物DOM荧光光谱特性的研究对进一步揭示湖泊污染本质有重要意义.采集了松花湖20个点位的沉积物,利用激发发射矩阵光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术对沉积物中的DOM组分进行了解析,从光谱学角度明...     

北运河水体中荧光溶解性有机物空间分布特征及来源分析

利用激发发射矩阵荧光光谱(EEMs)并结合平行因子分析(PARAFAC),研究了北运河荧光溶解有机物(fluorescent dissolved organic matter,FDOM)的荧光组分及其空间分布特征,并对各河段FDOM的来源进行了分析.结果表明,北运河水体FDOM的组分中,代表类腐殖物质的组分含量较多,占总荧光强度平均比例的76.18%,而类蛋白质物质占23.82%.各组分荧光强度与氮、磷等污染物呈显著相关关系,说明FDOM与氮、磷等元素的迁移转化有关系;溶解性有机质呈现出明显的空间分布格局,从上游到下游为先降低后升高.上游区域的FDOM含量受工业废水和沿岸农业径流的影响,溶解性有机质含量较高;中游区域主要受少量生活废水排放的影响,溶解性有机质含量较低;下游区域FDOM来源于周边畜禽养殖废水、生活污水、乡镇工业废水和农田退水等,该区域类蛋白物质的相对丰度明显增加,溶解性有机质含量最高.污水处理厂出水中DOM的含量较高,表明污水处理效果有待进一步提高.     

思林水库荧光溶解性有机质的特征、来源及其转化动力学

利用三维荧光光谱(EEM)结合平行因子分析(PARAFAC),研究了思林水库冬季(1月)、春季(4月)、夏季(6月)和秋季(10月)上游入库水体、库区表层水(0 m)、库区深层水(20 m)、出库水体的荧光溶解性有机质(FDOM)不同组分的特征、来源及其转化动力学.结果表明,思林水库的溶解性有机质由3种荧光组分组成,分别是:陆源类腐殖质(C类,C1)、浮游植物源的微生物类腐殖质(M类,C2)和浮游植物源的类蛋白或类色氨酸或类酪氨酸(C3).其中陆源类腐殖质的荧光强度随着入库水、库区表层水、库区深层水和出库水逐渐减少,这表明由于光化学作用、微生物作用、大坝拦截效应等环境因素的影响,类腐殖质随着水体由入库向出库的流动而逐渐降解.相反,微生物类腐殖质(M类)的荧光强度结果表明,在入库-出库过程中,微生物类腐殖质处于产生及部分或完全降解的波动中,这表明微生物类腐殖质是浮游植物的原生产物,并且对于光化学作用、微生物作用和大坝拦截效应有很强的不稳定性.类蛋白或类色氨酸或类酪氨酸主要新产生于夏季和秋季的表层水体中,在冬季和春季表层和深层水体中也有产生;并在出库过程中逐渐减少.这表明类蛋白或类色氨酸或类酪氨酸是浮游植物的原生产物;并且它们受到光化学作用、微生物作用和大坝拦截效应的共同影响,在表层和深层水中生成和降解.因此,这些结果意味着通过平行因子分析确定的荧光溶解性有机质组分的方法,对于更好地理解溶解性有机质在水库水体的转化动力学机制至关重要.     

利用UV-vis及EEMs对比冬季完全混合下两个不同特征水库溶解性有机物的光学特性

结合紫外吸收光谱(UV-vis)与三维荧光光谱技术(EEMs),并利用平行因子分析的方法,对两个混合型水库(周村水库和金盆水库)水体中DOM的来源及差异性进行了分析.结果显示,两个水库水体均存在3个荧光组分,分别为长波类腐殖质(350/460 nm)、可见类富里酸(335/410 nm)和类蛋白(260,285/360 nm).但是两水库水体的DOM荧光强度及组分构成比例均存在显著差异(P0.01),两个水库均以类腐殖质为主,但相比金盆水库,周村水库水体中类腐殖质含量相对较低,类蛋白含量较高.周村水库DOM组分间的相关性大于金盆水库,表明后者的DOM来源更为复杂.通过荧光指数FI,自生源指标BIX,腐殖化指标HIX以及新鲜度指数(β∶α)综合对比表明:冬季,在径流量小的情况下,以耕地、畜牧、居民用地为主,沉积物内源污染严重的周村水库水体的DOM以自生源为主;沿岸以森林生态系统为主的金盆水库的DOM则来自混合输入.结果表明混合型水库水文条件及沿岸生态环境特征是决定DOM来源与特征的关键因素之一.     

不同生态混凝土坡岸中溶解性有机质与镉的相互作用机理研究

为研究生态混凝土坡岸中DOM(dissolved organic matter,溶解性有机质)与重金属离子的相互作用,通过FQT(fluorescence quenching titration,荧光淬灭滴定)试验配合3D-EEMs(three-dimensional fluorescence spectroscopy,三维荧光光谱)、PARAFAC(parallel factor,平行因子分析)和2D-COS(two-dimensional correlation spectroscopy,二维相关光谱)探究了AEC(applied eco-concrete,应用型生态混凝土)和IEC(improved eco-concrete,改良型生态混凝土)坡岸中DOM与Cd2+的相互作用机理.结果表明:①3D-EEMs结果显示,AEC_ow(AEC坡岸出水)类蛋白组分荧光强度降低,水体腐殖化程度升高,而IEC_ow(IEC坡岸出水) DOM各组分荧光强度均降低;Cd2+能与DOM中所有组分发生络合,且随c(Cd2+)增加,各组分的荧光强度最终趋于稳定.②PARAFAC将所有样品中DOM分离出类蛋白、类富里酸和类腐殖质3个独立组分,其中类富里酸组分随c(Cd2+)增加表现稳定的荧光淬灭效果.③通过Ryan and Weber模型计算Cd2+与DOM中各组分的络合常数(lg K)发现,所有样品中Cd2+与DOM中类富里酸组分的lg K值均大于类蛋白组分.进一步发现,不同坡岸出水lg K值大小依次为RW(原水) > AEC_ow > IEC_ow;④2D-COS分析得出,DOM中类蛋白组分对Cd2+的敏感度最大.RW中Cd2+与DOM位点的络合顺序为340 nm→273 nm→282 nm,AEC_ow中络合顺序为410 nm→330 nm.研究显示:Cd2+率先与DOM中类富里酸、腐殖质类物质络合,且络合能力强,类蛋白物质最容易受Cd2+的干扰;AEC_ow增加了下游水生态系统中Cd2+的迁移风险和生物有效性,相反IEC_ow则降低了Cd2+的迁移风险,两种坡岸均能降低DOM组分与Cd2+的络合能力,其中IEC坡岸最优.      

灞河流域DOM荧光光谱特征及其对细菌组成的影响

为了探讨溶解性有机质（DOM）来源组成对细菌群落结构和多样性的影响,以及细菌群落结构在控制DOM组成及降解中的作用,本研究基于三维荧光光谱-平行因子分析（EEM-PARAFAC）技术研究了灞河水体枯水期（12月）DOM的荧光组分特征及空间分布变化;采用高通量测序技术分析了水体中细菌群落特征.结果表明：灞河水体DOM荧光组分中含有3个腐殖质类组分（C1：240,320/400nm;C2：260-295/478-504nm;C5：240/480nm）和2个蛋白类组分（C3：240,272~284/350~360nm;C4：255~275/326~336nm）,5组分之间相关性较好,表明这2类荧光组分具有相似的来源属性;灞河水体门水平中相对丰度最高的为变形菌门（Proteobacteria,54.22%）,其次为拟杆菌门（Bacteroidetes,19.40%）、厚壁菌门（Firmicutes,12.28%）、蓝藻菌门（Cyanobacteria,6.46%）和放线菌门（Actinobacteria,3.13%）;河流水体中的营养盐含量、水温、电导率及pH值均对细菌群落组成有一定影响.DOM各组分与浮游菌群表现出一定相关关系,且腐殖类和蛋白类组分沿河流纵向梯度对比明显,不同细菌群落对DOM的质量和不稳定性可能有不同的反应.本研究可为河流生物地球化学过程对微生物种群组成和功能影响的研究提供一定的基础数据.     

小球藻来源溶解有机质的光化学降解特性

利用三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)手段结合吸收光谱分析,研究了小球藻指数期和稳定期培养液中溶解有机物(DOM)在秋季天然太阳辐射作用下的光降解动力学特征.结果表明,小球藻生长过程中除能产生短波激发类腐殖质组分C1(其荧光峰的激发/发射波长位置为240,335 nm /406 nm)及类蛋白质组分C3(225,275 nm/334 nm)外,还会形成长波激发类腐殖质组分C2(260,395 nm /502 nm),表明C2组分并非仅有传统认为的陆源属性,同时也具有自生源属性.稳定期培养液的吸收光谱在250~300 nm范围内出现的肩峰,可用于指示水环境中现场自生源的贡献.不同生长时期培养液中DOM的吸收系数和荧光组分的降解动力学都符合一级反应方程.稳定期类腐殖质荧光组分(C1和C2)的光降解程度略高于指数期,但指数期类色氨酸组分(C3)的光降解程度略高于稳定期.经太阳辐照6 d后,小球藻培养液的吸收系数a₃₅₀及各荧光组分的平均损失率分别达到83.0%、84.0%、64.8%和80.0%,对应的半衰期只有1.6~5.0 d,揭示出藻类自生来源的DOM具有很强的光化学降解活性.