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.     

北京市不同地区土壤中的球囊霉素荧光特征及其与土壤理化性质的关系

球囊霉素相关土壤蛋白是一种菌根真菌产生的耐热糖蛋白,因其与微生物密切联系而常用来表征土壤的健康状况.由于球囊霉素相关土壤蛋白的提取过程中容易产生干扰物质,影响了这个指标在土壤状态评估方面的进一步应用.本研究采集了北京北部山区,中部城区以及南部郊区的土壤样品,使用三维荧光-平行因子模型技术解析球囊霉素相关土壤蛋白中可溶性有机物的荧光特征,将土壤类球囊霉素蛋白分解为5个荧光组分,分别为微生物源UVC腐殖质类物质、UVA人为来源腐殖质类物质、微生物来源的氧化醌物质、土壤富里酸类物质和类蛋白物质,蛋白质在其中所占比例为0~20%.不同采样区域的荧光特征比较显示,球囊霉素土壤相关土壤蛋白的5个荧光组分总体稳定,与山区相比较,城区和郊区的类蛋白质组分受人类活动影响降低,氧化醌类物质组分含量升高.不同采样点的理化特征结果显示,以城市建设和耕作为代表的人类活动减少了土壤中的含水率、有机质含量以及总氮含量.比较球囊霉素相关土壤蛋白的荧光特征与土壤理化特征的相关性结果显示,球囊霉素土壤相关蛋白浓度、UVA腐殖质组分、UVC腐殖质组分与土壤有机质含量、总氮含量显著相关,具有表征土壤健康状况的潜力.     

Quantification of the interactions between Ca,Hg and extracellular polymeric substances (EPS) of sludge

The interactions between metals (Ca²⁺ and Hg²⁺) and extracellular polymeric substances (EPS) extracted from the aerobic and anaerobic sludge in wastewater treatment reactors were investigated using a combination of zeta potential measurement and 3-dimensional excitation–emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy with parallel factor (PARAFAC) analysis. Results show that Ca²⁺ had no substantial effects on the EEM fluorescence spectra of the EPS, but their zeta potentials increased with the increasing Ca²⁺ dosage. However, Hg²⁺ had a significant effect on the EEM fluorescence spectra of the EPS, while their zeta potentials seemed not to be affected by the dose of Hg²⁺. The interactions between Hg²⁺ and EPS were elucidated using the fluorescence quenching with PARAFAC analysis, while the interactions between Ca²⁺ and EPS were evaluated by the zeta potential technique. The binding constants for Hg²⁺ and EPS were two orders of magnitude higher than those for Ca²⁺ and EPS, suggesting that the binding mechanisms between Ca²⁺ and EPS were different from those between Hg²⁺ and EPS. The results might be useful for understanding the roles of EPS in bacterial self-protection against heavy metals and the aggregate formation mechanisms through ionic bridging interactions.     

运用三维荧光光谱解析高温厌氧产氢反应过程对温度变化的响应

为建立反应器运行状态的荧光光谱快速监测方法,应用三维荧光光谱表征了高温厌氧反应器的出水,采用平行因子分析方法分析后得到3种荧光组分——蛋白质、辅酶NADH和核黄素,并获得它们的激发发射光谱图及相对浓度.结果表明,当温度从50 ℃上升到60 ℃的过程中,3种荧光物质的相对浓度均呈现相应的变化,它们与反应器的运行参数呈现明显相关性.进一步研究表明,核黄素是高温厌氧产氢反应中的特有荧光物质,采用标准加入法和二阶校正方法可以测定其实际浓度,出水中核黄素浓度变化范围为0.04~0.13 mg·L^-1.该研究为厌氧产氢反应器的运行监控提供了理论基础.     

不同面源强度影响下城市河流溶解性有机质光谱特征变化

采用紫外-可见吸收光谱（UV-vis）和三维荧光光谱结合平行因子法（EEMs-PARAFAC）研究两条面源输入强度不同的城市河流春夏两季水体中溶解性有机质（DOM）含量和组成变化.结果表明,两条河流夏季水体DOM腐殖化程度和相对分子质量均显著高于春季（P<0.01）. PARAFAC模型共解析出C1（UVC类富里酸）、 C2（类色氨酸）、 C3（类胡敏酸）和C4（UVA类富里酸）这4个化学组分,C1[（31±6）%]和C2[（31±4）%]为水体DOM中主要荧光组分.高面源输入水平的河流春季各组分荧光强度均低于夏季,而低面源输入水平的河流与之相反.随机森林回归模型表明,C3%对河流水质变化敏感度最高（R²=0.75,P<0.001）,具有很好的指示作用;水面覆盖率（Cover）对C4%有显著预测重要性（P<0.001）, C4%易受光化学氧化作用影响.主成分分析（PCA）和Adonis检验表明,氮和磷为水体自生源过程的重要推动力,面源输入强度和季节变化对城市河流水体状况有显著影响（R²=0.775,P<0.001）.城...     

改良剂调控下水稻镉累积和土壤溶解性有机质光谱特征的响应

研究土壤中溶解性有机质(DOM)的化学组成和特征差异对理解改良剂对Cd的稳定机制具有重要意义.土壤改良剂被广泛应用于受污染农田以缓解重金属在农作物中的累积,但改良剂调控下土壤DOM的光谱特征却鲜见报道.采集南方典型Cd污染水稻土为研究对象,通过投加三大类改良剂(有机类、无机类和石灰类,共11种)进行水稻种植盆栽试验,研究了不同改良剂对土壤DOM的影响.利用紫外-可见光谱、三维荧光光谱和平行因子分析法(PARAFAC)对比分析了不同改良剂调控下根际土壤DOM的光谱特征.结果表明,石灰类改良剂提高土壤pH,促进土壤固相中有机质的溶解,从而显著提高了土壤DOM的质量分数.与对照相比,有机类改良剂提高了土壤DOM的相对分子量和新生自生源贡献率,无机类改良剂提高了土壤DOM的芳香性和疏水性组分,石灰类改良剂提高了土壤DOM的显色组分和腐殖化程度.通过PARAFAC分析和OpenFluor数据库验证,解析出了4个荧光组分C1(255/465)、 C2(325/400)、 C3(275/390)和C4(240/460),均为类腐殖质.两种光谱相互印证,表明土壤DOM来源以陆源输入的类腐殖质为主.相关...     

川西高原河流水体CDOM的光化学降解特性

川西高原部分河流溶解性有机碳(DOC)含量极高,因有色溶解性有机质(CDOM)具有独特的光学特性,其光降解特征与规律对于分析高寒区天然水体DOC动态及区域水-陆碳循环具有重要的环境意义.本文选取川西高原两种主要地貌类型的河流共5条,即高山峡谷区河流杂谷脑河、抚边河及岷江,丘状高原区河流白河、黑河,对河流水体CDOM三维荧光光谱(EEMs)与紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)采用平行因子分析(PARAFAC)与二维相关光谱(2D-COS)进行分析.结果表明:①白河和黑河CDOM的5 d降解率分别为64. 85%和63. 43%,光降解速率常数分别为0. 167 d-1和0. 173 d-1;抚边河CDOM浓度低(0. 71 m-1)光降解现象不明显,杂谷脑河和岷江CDOM光降解行为较为复杂;②在光降解过程中,除岷江外其余4条河流荧光溶解性有机质(FDOM)内源特征(FI)逐渐减弱,黑河和白河CDOM芳香性、疏水性特征(SUVA254和SUVA260)及腐殖化程度(HIXa)逐渐降低;③川西高原5条河流中FDOM组分均呈2类4个组分,即C1(275/310 nm,类酪氨酸)、C2 [280(250)/400 nm,UVA类腐殖质]和C3(255/440 nm,UVA类腐殖质)、C4[270(360)/492 nm,UVA类腐殖质],类腐殖质FDOM较易光降解;④5条河流中UVA类腐殖质FDOM(尤其是500 nm发射波段)光降解反应先于类酪氨酸物质;丘状高原河流中UVA类腐殖质FDOM对于光照的敏感度大于高山峡谷区河流;⑤白河的主成分分析中识别出了2个因子,解释了这些参数变化的87. 28%,反映了光降解过程对于CDOM特征、荧光组分等方面的影响.     

区域土地利用类型对水源水中溶解性有机物丰度和荧光组分的影响

以潮白河密云段水体为研究对象,采用三维荧光光谱法及平行因子分析解析了潮白河饮用水源中溶解性有机物(DOM)来源和荧光特性,结合方差分析探讨了不同季节和区域土地利用类型对DOM浓度和荧光组分强度的影响.结果表明,潮白河密云段水体荧光溶解性有机物(FDOM)由5种荧光组分组成,包括微生物腐殖质2种,自生酪氨酸,还原醌类和陆地腐殖质类各1种.DOM主要来源于微生物.河岸周边土地利用以农田为主的区域水体中DOM浓度相比森林和城镇较大,河岸周边土地利用以农田和城镇为主的区域水体FDOM各荧光组分强度均低于森林.潮白河密云段水体DOM受其附近农田土地利用影响程度比森林和城镇土地利用影响更大,由于沿岸土地利用类型变化河流中增加的DOM主要是非荧光部分.虽然季节对DOM腐殖化程度也有显著影响,但土地利用与季节对水体DOM的影响不存在交互效应.     

鄱阳湖丰枯情景对有色可溶性有机物生物可利用性及收支平衡的影响

鄱阳湖水力连通特征季节差异显著,研究不同水文情景下湖泊调蓄对有色可溶性有机物（CDOM）来源组成、生物可利用性和碳收支平衡的影响对揭示通江湖泊碳循环、水体有机物迁移转化和水资源管理具有重要意义.通过平行因子分析法对鄱阳湖CDOM三维荧光光谱解析得到3个荧光组分,分别为类腐殖质（C1）、类色氨酸（C2）和类酪氨酸（C3）.生物培养前后CDOM吸收系数(a₂₅₄)和陆源类腐殖质（C1）均表现为丰水期显著高于枯水期（t-test,P<0.01）,表明陆源类腐殖质（C1）是该湖丰水期CDOM的主要来源.枯水期类蛋白组分占CDOM荧光组分强度总和的81.7%,表明枯水期可能与周边生产生活废水排放有关.类腐殖酸（C1）和DOC的生物可利用性在枯水期达到最大,分别为14.0%和43.2%,这与湖泊枯水季节湖床干涸,上游及周边人类活动排入废水很少受到湖水稀释密切相关.类蛋白组分的生物有效性在丰水期略高于枯水期,并无显著差异.生物可利用对应成分%ΔC1在丰、枯水期均呈现出从南部河口区向北部出湖口递减的趋势,表明类腐殖质（C1）的生物可利用性随CDOM迁移而降低.在枯水期和丰水...     

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).