太湖水体有机质荧光特征及其来源解析

水体颗粒态(POM)和溶解态有机物(DOM)的形成、转化、归宿及其相伴随的营养盐再生过程在湖泊蓝藻水华暴发过程中扮演着非常重要的营养盐供给者的角色。为了检验POM和DOM荧光特征及其来源的差异性,分别于2014年8月和2015年2月在太湖采集了68(34×2)个样品,利用POM-DOM PARAFAC三维荧光模型及地统计学法对夏、冬季节POM和DOM的荧光特征及其来源进行解析,以期为湖泊富营养化的治理和蓝藻水华的控制提供基础资料。结果表明,夏、冬季节DOM均发现了4类荧光峰(T、D、A和C峰),而夏、冬季节POM荧光峰类型存在明显季节差异,夏季POM出现6类荧光峰(B、D、M、C、A和未知荧光峰U峰),冬季POM出现5类荧光峰(T、D、M、C和A峰);夏季POM类酪氨酸荧光峰D峰激发波长为300 nm,出现明显的"蓝移"现象,说明夏季POM类酪氨酸荧光物质的分子量、缩聚度和芳香度小于其他季节有机质。POM(C1p~C5p)和DOM(C1d~C5d)均存在5种荧光组分,分别是类色氨酸(C1和C2)、类腐殖质(C3和C4)及类酪氨酸(C5)。POM和DOM荧光组分特征存在明显的时空差异;夏季POM以组分C5为主,各荧光组分高值区均分布在竺山湾区域;冬季POM以组分C3为主,各荧光组分高值区均集中在湖心区;而夏、冬季节DOM均以类蛋白组分C2、C1和C5为主(相对含量C2dC1dC5d),各荧光组分高值区均分布在竺山湾区域;夏、冬季节太湖藻型湖区POM类色氨酸组分(C1和C2)较草型湖区多(t=2.003,P=0.040;t=3.465,P=0.002),而DOM类色氨酸组分在不同类型湖区所占比重并无显著差异(P0.05)。综合POM和DOM的块金系数和荧光指数可知,冬季DOM整体表现出较强的自生源特征,夏季DOM、冬季POM、夏季POM均同时受内源和外源的双重影响,其中夏季POM受外源影响相对强烈。     

东平湖DOM荧光特征及与氢氧同位素指标的相关性

本研究在运用三维荧光光谱示踪平水期东平湖DOM荧光特征的基础上,进一步分析其与氢氧同位素指标的相关性,并在此基础上尝试对大气降水的DOC贡献进行估算,以期为东平湖的污染控制及治理提供依据.结果表明,东平湖平水期DOM主要由类蛋白组分（C1和C4）和类腐殖质组分（C2和C3）构成,以类酪氨酸组分C1为主,C1所占比重将近50%.平水期东平湖DOM同时受陆源、内源及大气降水的影响,但以内源输入为主;外源输入中大气降水补给与大汶河输入所占比例相当;大气降水中的溶解性有机碳输入可能会对东平湖DOM产生不可忽视的影响,需进一步系统研究.氢氧稳定同位素与溶解态有机碳以及类腐殖质荧光之间呈显著相关关系,可以在一定程度上指示DOM的变化趋势.     

溶解性有机质在岩溶水系统中的迁移转化及影响因素分析

溶解性有机质(DOM)的荧光物质是一种较好的示踪剂,用于鉴别DOM的来源及其在水文系统中的地球化学行为.该物质在岩溶水系统中的研究较少,并且要作为潜在示踪剂,系统中有很多因素影响其光谱信息.实验选取一典型岩溶流域,通过三维荧光光谱技术(EEMs)和平行因子分析(PARAFAC),结合水化学数据分析,揭示DOM荧光物质在不同岩溶含水空间的组成和转化关系,刻画流域尺度DOM的来源,探讨水化学因素对DOM荧光物质转移的影响机制.结果表明,流域外源地表水和岩溶地表水中的DOM以类蛋白色氨酸为主,浅层岩溶水和深层岩溶水以类蛋白色氨酸和酪氨酸为主.荧光指数(FI)、生物指数(BIX)和腐殖化指数(HIX)的综合分析认为,浅层岩溶水和深层岩溶水的DOM主要来自于内源微生物分解,岩溶地表水和外源地表水的DOM既有陆源输入又有内源微生物分解,且内源贡献占有较大比例.受岩溶水化学参数的影响,3种荧光物质具有明显的分异特征:类酪氨酸物质对Ca~(2+)和HCO_3~-具有较强的适应性,在岩溶水中存在的比例比较大.类色氨酸物质则相反,类富里酸物质则与TDS、浊度、Cl~-、SO_4~(2-)等呈现极显著正相关关系.流域上游浅层岩溶水中的DOM主要来自内源.出露地表以后,其有机质同时来自内源和外源输入.在流域下游渗入深层岩溶地下水以后,DOM逐渐向低芳香烃有机质化合物转化,大分子DOM逐渐减少,荧光强度减弱.主成分分析(PCA)提取出3个主成分,分别为反映岩溶水渗滤、转化、水流条件的水体矿化指标,反映土壤淋滤和自然渗滤关系的TOC、NO_3~-及类蛋白质指标,以及反映岩溶水系统水化学、生物化学过程的Ca~(2+)、HCO_3~-、荧光指数和类富里酸指标.此外研究还认为,总荧光强度,类富里酸物质和类蛋白物质可以分别作为岩溶水快速渗流、转化及岩溶含水层脆弱性的示踪剂.研究结果有助于认识岩溶地下水DOM的生物地球化学循环,进行岩溶系统有机污染控制,为岩溶水系统中物质的地球化学过程表征提供一种新的工具.     

太湖北部湖区春、冬季节天然有机质的荧光特征及环境意义

天然有机质(OM)广泛存在于各类水体,含有丰富的碳、氮、磷等生源要素,其形成、转化、归宿及其相伴随的营养盐再生过程是水生态系统营养盐生物地球化学循环的重要环节,在湖泊蓝藻水华暴发过程中势必也扮演着非常重要的营养盐供给者的角色.本研究于2015年2月和5月分别在太湖北部湖区采集了17个样品,利用POM-DOM PARAFAC三维荧光模型解析春、冬季节颗粒态有机质(POM)和溶解态有机质(DOM)的荧光特征及来源,并探讨POM和DOM各荧光组分之间及其与叶绿素a(Chla)的关系.结果表明,春、冬季节太湖北部湖区POM和DOM的荧光峰、荧光中心位置和荧光强度均存在明显的差别;POM有着比DOM更复杂的组分构成.综合POM和DOM的荧光强度和荧光指数可知,春、冬季节太湖北部湖区POM和DOM均以自生源为主,河口区受陆源贡献较大.POM(C1p~C5p)和DOM(C1d~C5d)有5种荧光组分,分别是类色氨酸(C1和C2)、类腐殖质(C3和C4)及类酪氨酸(C5).POM和DOM的荧光组分特征存在明显的差别;春、冬季节POM均以类腐殖质荧光C3为主,荧光组分高值区分别集中在梅梁湾区域和湖心区;而DOM均以类蛋白组分C2、C1和C5为主,荧光组分高值区均分布在竺山湾区域.相关分析结果显示,春季C1d与C2d(P0.01)、C3d与C4d(P0.01)、C1p与C4p(P0.05)、C2p与C5p(P0.01)均具有较强的相关性.值得注意的是,C3d(P0.01)、C4d(P0.05)与C3p均具有较好的相关关系,表明POM与DOM在组分、来源上具有某种联系.与春季类似,冬季荧光组分C1d与C2d、C3d与C4d、C1p与C2p、C1d与C2p亦具有极好的相关性(P0.01).春季C5d与Chla之间存在正相关关系(P0.01),而C2d(P0.05)、C3p(P0.01)与Chla之间具有负相关关系;冬季C4d与Chla之间也存在负相关关系(P0.05).     

大汶河-东平湖CDOM的荧光特征及与营养物质的耦合关系

东平湖作为南水北调东线工程最后一级调蓄水湖以及山东省西水东调的水源地,其水质状况对受水区的用水安全起着决定性作用。结合2014年夏季对大汶河和东平湖有色可溶性有机物(CDOM)三维荧光的测定分析,探讨了夏季大汶河输入对东平湖CDOM的贡献及荧光强度与叶绿素a(Chla)、化学需氧量(COD)和溶解态有机碳(DOC)的关系。利用平行因子分析法对CDOM三维荧光图谱进行解析,获得4种荧光组分,其中组分1和组分3为类腐殖质荧光、组分2和组分4为类蛋白荧光;从大汶河汶口坝到东平湖出湖口处,类腐殖质荧光强度逐渐增强,类蛋白荧光强度呈递减趋势,且大汶河类蛋白荧光较东平湖高(t=2.408,P=0.032),反映了夏季丰水期大汶河主要向东平湖输入类蛋白荧光物质。东平湖类腐殖质荧光组分C1(r=0.927,P=0.003)、C3(r=0.763,P=0.046)均与DOC具有显著相关性,这表明类腐殖质是东平湖DOC的重要组成部分;而大汶河CDOM各组分与DOC相关性均不显著(P0.05),可能是因为CDOM在大汶河中受光降解、微生物降解等作用以及水体p H的影响,造成大汶河CDOM组分中的腐殖酸、富里酸、蛋白类物质以及一些非荧光类物质在DOC中所占比例不同。东平湖荧光组分C1(r=0.804,P=0.029)、大汶河荧光组分C2(r=0.912,P=0.002)均与COD具有相关性,说明荧光强度可以间接反映水体中被氧化的有机物含量。大汶河CDOM类蛋白荧光组分C2(r=0.937,P=0.001)、C4(r=0.782,P=0.022)均与Chla存在相关性,说明浮游植物是大汶河类蛋白物质的重要来源。     

不同分子量草源DOM与重金属的相互作用

将采集自徒骇河聊城河段沉水植被生长区的DOM分为3个分子量级别：<0.7 μm DOM、<500 kDa DOM、<100 kDa DOM,通过三维荧光结合平行因子分析（EEM-PARAFAC）和荧光滴定法探讨水体中不同分子量DOM的荧光特征及其与重金属（Cu²⁺和Pb²⁺）的络合作用.结果表明：草源DOM的有机碳主要储存在分子量<100 kDa组分中.PARAFAC分析得出4个荧光组分,分别为类色氨酸组分C2、C4,以及酪氨酸组分C1和类腐殖质组分C3.草源DOM主要以分子量<100 kDa的类色氨酸组分C2和酪氨酸组分C1为主.二维相关光谱（2D-COS）表明,与类腐殖物质相比,类蛋白物质优先与Cu²⁺与Pb²⁺发生猝灭,DOM中不同分子量组分与Cu²⁺与Pb²⁺的猝灭顺序未发生改变.在与Cu²⁺结合的过程中,不同 分子量中类腐殖质组分C3的络合常数（logK_a）大于类蛋白组分C1、C2,表明类腐殖质组分的金属结合能力强于类蛋白质组分;随着分子量级别的降低,组分C3的logK_a值逐渐增大（3.47<3.59<3.73）,表明低分子量（<100 kDa）中的类腐殖质与Cu²⁺具有更高的结合能力.不同分子量DOM中,类蛋白组分C1、C2、C4在分子量<0.7 μm DOM中的logK_a值均最高,表明高分子量（<0.7 μm）的类蛋白质更容易与Cu²⁺结合,而Pb²⁺与各组分结合出现了荧光增强或猝灭的现象.DOM-Cu²⁺与DOM-Pb²⁺结合表现出不同的结合规律,反映出金属种类与DOM结合的异质性与复杂性.     

湖泊草、藻来源溶解性有机质及其微生物降解的差异

太湖生态类型多样,存在着水环境差异比较显著的草、藻型湖区,其水体中溶解性有机质(DOM)的来源及组分特征也存在较大差异.为了检验草、藻来源的DOM组分特征及其微生物降解机制的差异性,分别选取太湖藻型湖区的蓝藻水华及草型湖区的优势水生植物马来眼子菜进行室内细菌降解实验.结果表明,浮游植物及沉水植物的细菌降解都能快速释放营养盐和有机质,而且释放的DOM均以极具活性的类蛋白荧光组分为主.草源和藻源DOM在组分构成上存在显著差异,藻源DOM以类色氨酸组分为主,而草源DOM荧光物质则基本上以类酪氨酸组分C3为主,草、藻来源DOM的荧光组分差异与野外调查结果相似.经过细菌的降解利用,草、藻来源的DOM类蛋白荧光强度都迅速减弱,藻源性溶解物质相对容易被细菌降解利用,在2 d之内就能降解约70%,而草源性DOM的降解速率则较低,通常降解转化周期则为更长时间.     

有色可溶性有机物在线荧光技术在水质监测中的应用

FDOM（荧光有机物）在线荧光探头是采用激发波长370 nm和发射波长460 nm下荧光强度来计算水体CDOM（有色可溶性有机物）丰度的传感器,为探究该传感器在内陆水体水质监测中的应用和适用性,以水源供给水库千岛湖为案例,通过FDOM荧光探头监测该湖泊不同季节CDOM丰度,结合CDOM光谱吸收、ρ（DOC）（DOC表示溶解性有机碳）、ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（COD_Mn）、ρ（DTN）（DTN表示溶解性总氮）、ρ（DTP）（DTP表示溶解性总磷）和ρ（Chla）等水质参数数据,揭示FDOM荧光强度与其他水质参数的耦合关系,检验FDOM荧光探头对有机物的监测能力.结果表明:①2014年5月千岛湖TLI平均值（38.4±4.4）显著高于2018年10月TLI平均值34.9±3.0（t-test,P < 0.001）,根据TLI及各水质参数平均值判定该湖处于中贫营养状态.②大部分水质参数呈现出由西北入湖河口向下游大坝出水口方向递减的趋势,表明上游新安江对该湖有机物具有较大的贡献.③FDOM荧光强度与CDOM吸收系数a（254）（R2=0.91,P < 0.01）、a（350）（R2=0.90,P < 0.01）均呈极显著正相关且具有较高的线性拟合优度,这意味着FDOM荧光强度可以很好地表征CDOM丰度.④FDOM荧光强度与ρ（DOC）（R2=0.49,P < 0.01）、ρ（TN）（R2=0.61,P < 0.01）、ρ（TP）（R2=0.75,P < 0.01）、ρ（COD_Mn）（R2=0.35,P < 0.01）、ρ（DTN）（R2=0.59,P < 0.01）、ρ（DTP）（R2=0.56,P < 0.01）、ρ（Chla）（R2=0.68,P < 0.01）均呈极显著正相关且与大多数水质参数具有相似的分布特征,并且能很好地识别潜在污染物高值区.研究显示,荧光探头在可见波长下所得陆源类腐殖酸FDOM荧光强度能很好地成为潜在污染物替代指标,并能有效呈现有机物分布特征,因而该技术在饮用水湖泊水质监测中具有潜在广阔的应用前景.      

东平湖CDOM吸收光谱特性及其来源解析

为分析东平湖有色可溶性有机物（CDOM）吸收特性、来源和空间分布的季节变化,分别于2013年8、12月以及2014年3月采集了35个表层水样,分析了各基本水质参数、CDOM吸收系数[a（440）]、比吸收系数[a^*（440）]和相对分子量参数M值的分布规律及CDOM吸收系数与水质参数之间的相关关系.结果表明：东平湖CDOM吸收系数a（440）呈现出枯水期 > 丰水期 > 平水期的规律,空间分布与CDOM比吸收系数[a^*（440）]相似.M值呈现出丰水期 < 平水期 < 枯水期的变化趋势.丰水期CDOM吸收系数与叶绿素a（Chla）具有显著相关关系;丰、平水期两季CDOM吸收系数与DOC存在显著相关关系.丰水期CDOM同时受外源和内源输入的影响,但以内源输入为主,主要来源于浮游植物降解产物;老湖镇湖区外源特征明显.平水期CDOM亦受内源和外源输入的双重影响,但浮游植物的腐烂降解不是CDOM的主要来源;北部湖区以外源输入为主.枯水期CDOM整体表现出较强的自生源特征,但相关分析显示,浮游植物降解并不是CDOM的主要来源,自生源特征可能与挖沙活动导致的悬浮物浓度增高有关;东南湖区因大汶河输入的影响呈现出较强的外源特征.利用东平湖丰、平水期两季CDOM浓度反演DOC浓度具有可行性.     

基于地统计学分析的太湖颗粒态和溶解态氮、磷营养盐时空分布特征及来源分析

研究水体氮、磷营养盐的空间变异性及时空动态变化,有助于人们深入认识和了解氮、磷营养盐的变化对藻类生长繁殖的影响,对于治理富营养化水体中藻类的暴发性增长具有重要意义.基于地统计学分析方法,以太湖2014年8月～2015年5月夏、秋、冬、春四季为研究时段,分析了草、藻型等不同生态类型湖区颗粒态和溶解态氮、磷营养盐的来源以及赋存形态,营养盐限制类型的时空分布特征,并探寻其时空变化原因.结果表明:(1)时空分布上,水体中氮、磷含量整体表现为冬季高于其他季节,呈现由西北湖区向东南湖区递减的特征;颗粒态氮、磷与叶绿素a含量则表现为夏季高于其他季节,冬季高值区均位于南部湖区,其余季节高值区集中在西北湖区.(2)随季节变化,太湖草、藻型湖区氮磷营养盐形态组成发生了大的变化;藻型湖区由冬季以硝酸盐氮和有机磷为主,转变为其余季节以颗粒态氮磷为主,而草型湖区由冬季以颗粒态氮磷为主,转变为其余季节以氨氮和有机氮磷为主.(3)营养结构上,藻型湖区总氮/总磷比值由秋冬季节大于16,降低为夏春季节的小于16;而草型湖区却由秋冬季节小于16,升高为夏春季节大于16.溶解态氮磷比在藻型湖区的空间变化规律与总氮/总磷比值一致,而在草型湖区溶解态氮磷比由秋季小于16,升高为夏、冬、春季节大于16.颗粒态氮磷比时空变化均不显著(P 0. 05),各季节藻型湖区颗粒态氮磷比值均小于16,草型湖区均大于16.