河口区溶解有机物三维荧光光谱的平行因子分析及其示踪特性

利用激发发射矩阵荧光光谱(EEMs)并结合平行因子分析(PARAFAC),研究了九龙江口有色溶解有机物(CDOM)的荧光组分特征及其河口动力学行为,并探讨其作为河口区有机污染示踪指标的可行性.利用PARAFAC模型识别出九龙江口CDOM由2类4个荧光组分组成,即类腐殖质荧光组分C1(240,310/382nm)、C2(230,250,340/422nm)、C4(260,390/482nm)及类蛋白质荧光组分C3(225,275/342nm).模型结果表明,传统寻峰法指认的短波类腐殖质A峰区域(240～290/380～480nm)实际上并非一个单独的荧光峰,而是若干荧光组分的组合,并且它与传统上指认的长波区海源类腐殖质M峰、陆源类腐殖质C峰之间存在内在联系.包含M峰的C1组分在河口区随盐度增加呈稀释降低趋势,表明M峰并不能被认为是海洋来源的专有特征峰.类腐殖质组分C1和C2在盐度6的河口最大浑浊带区表现出一定的添加行为,之后在河口混合过程中呈保守行为,而类腐殖质荧光组分C4则在整个河口混合过程中都呈保守行为.类蛋白质荧光组分C3在河口混合过程中呈不保守行为,并且在总荧光组分中所占比例在高盐度区呈上升趋势.EEM-PARAFAC不仅可示踪九龙江不同支流DOM的特征,并且还可很好地示踪九龙江口的有机污染程度.     

Photo-production of dissolved inorganic carbon from dissolved organic matter in contrasting coastal waters in the southwestern Taiwan Strait, China

Photo-production of dissolved inorganic carbon (DIC) from chromophoric dissolved organic matter (CDOM) is an important transformation process in marine carbon cycle, but little is known about this process in Chinese coastal systems. This study investigated an estuarine water sample and a coastal seawater sample from the subtropical waters in southeast of China. Water samples were exposed to natural sunlight and the absorption and fluorescence of CDOM as well as the DIC concentration were measured in the summer of 2009. The estuarine water had higher CDOM level, molecular weight and proportion of humic-like fluorescent components than the seawater that exhibited abundant tryptophan-like fluorescent component. After a 3-day irradiation, the CDOM level decreased by 45% in the estuarine water and 20% in the seawater, accompanied with a decrease in the molecular weight and aromaticity of DOM which was inferred from an increase in the absorption spectral slope parameter. The photo-degradation rates of all the five fluorescent components were also notable, in particular two humic-like components (C4 and C5) were removed by 78% and 69% in the estuarine water and by 69% and 56% in the seawater. The estuarine water had a higher photo-production rate of DIC than the seawater (4.4 vs. 2.5 μupmol/(L.day)), in part due to its higher CDOM abundance. The differences in CDOM compositions between the two types of waters might be responsible for the higher susceptibility of the estuarine water to photo-degradation and hence could also affect the photo-production process of DIC.     

千岛湖有色可溶性有机物光谱学特征及环境指示意义

有色可溶性有机物的光谱学特征能在一定程度上揭示湖泊溶解性有机物来源及其迁移转化规律,探究其光谱学特征对水质保护具有重要的现实意义.本文基于2018年10月在国家级水源供给水库千岛湖布设的60个采样点进行样品采集,运用光谱吸收及三维荧光,结合平行因子分析等方法揭示该湖有色可溶性有机物的光谱特征及其在空间上的变化,进而揭示有机物来源和迁移转化规律,探讨荧光光谱在水质监测应用等方面的指示意义.三维荧光矩阵经平行因子分析解析获得4种荧光组分包括陆源类腐殖酸C1、类酪氨酸C2、类色氨酸C3及微生物作用的类腐殖质C4.类腐殖质组分C1和C4与溶解性有机碳、有色可溶性有机物特征波长吸收系数a(350)均呈现出由西北入湖河口至其它湖区递减的分布趋势,并且C1和C4与溶解性有机碳、a(350)具有很好的相关性与之印证,说明上游新安江输入是千岛湖有机物的主要来源,类腐殖酸是主要的荧光组分.两种类蛋白组分包括类酪氨酸C2和类色氨酸C3分布均具有高度的空间异质性,高值均集中分布在靠近淳安县的湖心区及大坝附近的东南湖区,且该两个组分与叶绿素a浓度无显著相关性.从上游新安江河口至下游大坝出水口方向类腐殖酸组分所占比重逐步减小,而类蛋白组分所占比重增大.结合对该湖周边城镇居民用地分析表明湖心区及东南湖区类蛋白组分一定程度上可能来源于淳安县居民区生活污水的排放;同时,来自上游的类腐殖酸不断稀释及光降解转化为类蛋白组分可能是荧光光谱组成空间变化的又一个原因.C1为主要的荧光信号并与溶解性有机碳、a(350)及叶绿素a浓度具有更好的线性拟合优度,说明陆源类腐殖酸C1相比于其他荧光组分对有机物反演更为准确灵敏.由此表明,千岛湖有色可溶性有机物荧光光谱对有机物来源和迁移转化规律及水质监测等方面具有重要的环境指示意义.     

菹草残体厌氧分解过程中上覆水的硫酸盐还原特征

在富营养化淡水湖泊中,微生物对水生植物的厌氧分解会导致局部水域泛黑发臭,产生草源性"湖泛"现象,但是当前对上覆水中硫酸盐还原细菌(SRB)在水生植物残体分解中的作用还不甚了解.本研究通过室内模拟实验,分别向湖水(本底硫酸根浓度为40 mg·L~(-1))中添加不同浓度的硫酸根,研究了硫酸根浓度升高对上覆水中SRB参与水生植物菹草(P.crispus)残体分解的影响.结果表明,硫酸根浓度升高显著促进了上覆水中硫酸盐还原作用,实验第50 d时,添加了40 mg·L~(-1)硫酸根实验组(40S)中可溶性硫化物(∑H_2S)为(100.11±5.08) mg·L~(-1),远高于未添加硫酸根对照组(CK)的(46.83±3.79) mg·L~(-1).硫还原细菌如脱硫化弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)和脱硫微菌属(Desulfomicrobium)在40S中的相对丰度显著高于CK(p0.05),而脱硫化孢弯菌属(Desulfosporosinus)则在CK中的相对丰度更高,这说明硫酸根浓度升高促进了菹草残体厌氧分解过程中某些特定种属SRB的生长繁殖.此外,硫酸根浓度升高也影响了菹草厌氧分解过程中有色溶解有机物(CDOM)组分含量的变化,类腐殖质组分在第63 d的荧光强度显著高于第10 d(p0.05),这说明硫酸根浓度升高促进了菹草厌氧分解过程中类腐殖质的产生.本研究对于进一步认识淡水水体中硫酸盐还原的环境效应及生物学机制具有重要意义,也为富营养化水体生态系统修复提供理论依据.     

博斯腾湖有色可溶性有机物来源及季节变化特征

博斯腾湖是中国西北地区最大的外流湖,近年来随着湖区周边废水排入量的增加,严重威胁到湖泊周边地区居民的饮用水安全.对博斯腾湖开展有色可溶性有机物（CDOM）的来源及季节变化研究对该湖水质保护具有非常重要的意义.通过平行因子分析法解析博斯腾湖CDOM三维荧光光谱,得到类腐殖酸组分C1（255 nm/420 nm）,类酪氨酸组分C2（270 nm/324 nm）和类色氨酸组分C3（230 nm/340 nm）.2018年夏季盐度与C1呈显著负相关（r=－0.64,p<0.01）,与C2呈显著正相关（r=0.65,p<0.01）,这表明河流等外界输入是夏季湖水中类蛋白质和类腐殖质荧光组分的主要来源,夏季强烈的蒸发作用使得微生物活性增强.而2019年秋季盐度与C3呈显著正相关（r=0.70,p<0.01）,与C2呈显著负相关（r=－0.51,p<0.05）,意味着淡水输入直接稀释河口区CDOM中的类蛋白组分.整体上,博斯腾湖CDOM浓度在黄水区附近最大,且夏季CDOM浓度较秋季更大（t-test,p<0.001）,意味着夏季水质更差.河口区各指标的变异程度较大,受淡水输入影响较其他湖区大,这在2018年夏季表现得尤为显著.博斯腾湖CDOM具有高度空间异质性,2018年夏季该湖西部入湖河口区C1组分的贡献较大且该组分贡献率向东部水体交换弱的湖区方向逐渐减小,相应C2组分的贡献率逐步增大.2019年秋季各荧光组分占比表现为由黄水沟河口区以C1为主向东部湖区快速转变为以C2为主.     

太湖北部湖区COD浓度空间分布及与其它要素的相关性研究

利用2004年夏季在太湖北部湖区的采样数据,分析了化学需氧量(COD)浓度的空间分布,建立了COD浓度与有色可溶性有机物(CDOM)吸收、荧光、溶解性有机碳(DOC)浓度之间的定量关系.并以2004-01、2005-01、2007-06的数据探讨了COD的来源.结果表明,夏季COD浓度的变化范围为3.77～7.96 mg·L-1,均值为(5.90±1.54)mg·L-1. COD浓度从梅梁湾内往湾口再往大太湖呈现逐渐降低趋势,梅梁湾和大太湖的均值分别为(6.93±0.89)ms·L-1、(4.21±0.49)mg·L-1,梅梁湾的值显著要高于大太湖开阔水域. COD浓度与CDOM吸收、荧光、DOC浓度存在显著的正相关.通过对光学活性物质CDOM浓度的反演,可以外推水体有机物污染程度,为日后利用遥感影像反演和评估太湖水体有机物污染状况奠定基础.夏季COD浓度与叶绿素a浓度存在极显著正相关,而冬季没有相关或这种相关性很弱,并且夏季的值明显要高于冬季的值,反映了除入湖河流带来外源COD的输入外,夏季浮游植物大量生长死亡腐烂后的降解产物也是水体中COD的重要来源.     

基于三维荧光光谱——平行因子分析技术的蠡湖CDOM分布特征

利用三维荧光光谱(EMMs),并结合平行因子分析法,研究了蠡湖水体中有色可溶性有机物(CDOM)的分布特征及其来源,并探讨了不同组分荧光强度与其他水质因子间的相关性.结果表明,蠡湖水体中CDOM主要由2个荧光组分组成,分别为类色氨酸荧光组分C1(225,280/335)和类腐殖质荧光组分C2(250,300/435),并且C1和C2对总荧光强度的贡献率分别75.70%和24.30%.空间上C1和C2荧光强度自东向西依次递减,呈现东蠡湖高于西蠡湖、沿岸区高于湖心区的趋势.荧光指数(FI)、生物源指数(BIX)和腐殖化指数(HIX)都显示蠡湖水体CDOM来源于自生微生物、藻类等新近自生源,整体呈现弱腐殖质特征.相关性分析表明,CDOM与N、P元素的迁移转化密切相关,并且对透明度有重要影响.     

青岛近岸、东海海水CDOM特性及一氧化碳光产生研究

研究了青岛近岸和东海海水中CO的光化学产生,比较了两个不同水域海水中有色溶解有机物(CDOM)的光学特征和CO的表观量子产率.结果表明:青岛近岸海水和东海海水α(355)范围分别为0.381~0.868m-1和0.083~0.427m-1,平均值分别为0.622m-1和0.196m-1,青岛近岸海水α(355)大于东海.其中近岸海水α(355)和Sg表现出良好的相关性,而东海海水这两个参数之间无明显相关性,表现出α(355)和Sg关系的不确定性.α(355)与CO的光致产生速率呈现正相关(R2=0.8188),说明了CDOM光化学降解是CO产生的重要途径.青岛近岸海水CO的表观量子产率高于东海海水,与α(355)具有相同变化规律,说明含有高光学活性物质的CDOM发生光降解反应能更加有效地产生CO.     

汾河太原段有色可溶性有机物吸收特性及来源分析

加强城市河流水体有色可溶性有机物吸收特性及来源方面的研究,对认识和理解人类活动影响下河流有机污染物的行为特征具有重要意义。以汾河太原段为研究对象,探讨了CDOM吸收系数与总悬浮物(TSM)、有机悬浮物(OSM)、无机悬浮物(ISM)、叶绿素(Chla)、总氮(TN)和总磷(TP)等水质指标之间的关系,同时对CDOM的特征指标M值和指数函数曲线斜率S值进行研究。结果表明,(1)不同采样点CDOM吸收系数差异明显,a(440)的变化范围为0.40-1.20m^-1,且越到短波处差异越显著。(2)CDOM吸收与水体营养盐状况相关,CDOM吸收系数与水体TP和TN存在显著正相关;CDOM吸收与水体颗粒物浓度相关,CDOM吸收系数与TSM、ISM和OSM呈显著正相关;但CDOM吸收与Chla不存在显著相关性。(3)汾河太原段夏季水体CDOM主要来源于陆源性有机污染物质的输入,浮游植物新陈代谢及腐烂降解对CDOM的贡献很小。(4)a(440)与M值呈显著负相关,M值与S值呈显著正相关,表明汾河太原段水体腐殖酸的相对含量高于富里酸,相对分子质量较大。(5)增加背景项的指数函数拟合模型精度优于常规指数函数模型,且拟合得到的S值较大,这对分析CDOM的组成和来源具有重要影响。该文对城市河流水体CDOM固有光学特性、组成和来源方面的研究可以提供重要参考,同时也可为城市水体CDOM的遥感估算提供理论依据和数据支撑。     

太湖北部湖区CDOM光学特性及光降解研究

通过对太湖北部不同湖区2005—2006年4个典型月份水体中有色可溶解性有机物(CDOM)的生物-光学特性进行研究,系统分析了太湖北部湖区水体中CDOM的生物-光学特性和时空分布变异规律,并对CDOM在自然光暴晒下的降解特性进行初步研究. 结果表明,湖水中CDOM的分布,空间上竺山湾>梅梁湾>贡湖湾>大太湖,入湖河道附近要高于其他水面,时间上按冬季到次年秋季逐渐递减;表征CDOM 谱形变化的指数函数S值没有显著性时空差异,冬、春季CDOM吸收系数与ρ(叶绿素a)完全没有相关性,夏、秋季CDOM的空间分布则与ρ(叶绿素a)分布较为一致,吸收系数与ρ(叶绿素a)存在正相关;CDOM定标后的荧光值与其吸收系数在4个月内均存在相对恒定的线性关系;在接受自然光特别是紫外辐射暴晒后,CDOM吸收明显降低,发生显著的光化学降解,其降解过程符合拟一阶动力学衰减反应.