三维荧光光谱技术在溶解性有机物研究中的应用

溶解性有机物(DOM)是天然水体中的重要组分,其结构复杂,化学形态各异,应用常规的化学实验方法难以进行有效分析、得出有价值的结论.而三维荧光光谱分析法,因其简便的操作、较高的灵敏度以及较少的样品用量等优点,被广泛的用于DOM的表征中.通过阐述近年来三维荧光光谱传统分析法及应用平行因子分析法(PARAFAC)进行DOM定性定量分析,对其应用进行了展望.     

MPR处理低温污水中溶解性有机物的光谱特性

该文研究了微压内循环生物处理反应器(MPR)处理低温污水的效果,利用三维荧光光谱-平行因子分析法和紫外光谱法分析了低温下溶解性有机物(DOM)的降解特性及组成变化。结果表明:MPR对低温污水有很好的处理效果,化学需氧量、氨氮、总氮和总磷的平均去除率分别为90%、92%、71%和97%。三维荧光光谱图显示原水中有2个强烈的荧光峰,分别是类酪氨酸峰Peak B和类色氨酸峰Peak T_1、Peak T_2;在MPR处理过程中,出现类腐殖质峰Peak A且难以降解,成为出水主要荧光物质。通过平行因子分析法识别出MPR处理低温污水时,DOM中含有2个主要荧光组分,即类蛋白质C1(Ex=225/280 nm,Em=340 nm)和富里酸类腐殖质C2(Ex=235 nm,Em=415 nm)。2种荧光组分的去除效果不同,类蛋白质经MPR处理后降解了85.1%,而类腐殖质组分较为稳定,无明显变化。在MPR运行周期内的紫外光谱试验分析结果显示,MPR对低温污水中溶解性有机物有一定的降解作用,且发现反应器对难降解的芳香性有机化合物也有降解作用,其降解顺序是先降解取代基,再降解芳香环。     

呼伦湖水体溶解性有机物荧光特征及来源分析

呼伦湖是我国北方生态安全屏障的重要组成部分,为探究呼伦湖水体中有机物的组成及来源,利用三维荧光光谱（EEMs）结合平行因子（PARAFAC）分析技术进行溶解性有机物（DOM）荧光特征及来源研究。结果表明：呼伦湖DOM中含有3种荧光组分,分别为类色氨酸（C1）、类腐殖酸（C2）和类富里酸（C3）;平水期、丰水期和枯水期的C2和C3荧光强度占比约70%,表明呼伦湖水体DOM以腐殖质类物质为主,其中不同水期生态补水工程入湖口的C2和C3荧光强度均高于其他区域;平水期、丰水期和枯水期的荧光指数、生物指数和腐殖化指数平均值分别为1.50~1.54、0.85~1.00和4.12~4.68,表明呼伦湖DOM由陆源和自生源混合组成,具有明显的自生源特征;水质监测数据表明,2021年呼伦湖平水期、丰水期和枯水期水质均为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》劣Ⅴ类,其中平水期和丰水期的BOD₅平均值高于枯水期,而平水期总有机碳平均浓度高于丰水期和枯水期;不同水期C2和C3的荧光强度均呈显著正相关,表明DOM中组分C2和C3的产生及来源具有一致性。

     

太湖有色可溶性有机物组成结构对不同水文情景的响应

有色可溶性有机物(CDOM)是溶解性有机物中能强烈吸收紫外辐射及蓝光的那部分有机物,并在碳、氮、磷等生源要素生物地球化学循环中起着重要的作用.开展富营养化湖泊CDOM来源、组成结构和空间变化趋势的相关研究,有利于更好地揭示湖泊生源要素循环机制,服务于蓝藻水华控制和湖泊水质改善.本文基于对不同水文情景下太湖和周边连通的51条河流CDOM光谱吸收及三维荧光光谱测定与分析,揭示太湖CDOM光谱组成对不同水文情景的响应机制.结果表明,丰水期溶解有机碳浓度均值(8. 11±1. 26) mg·L~(-1),显著大于枯水期均值(3. 53±1. 19) mg·L~(-1)(t-test,P 0. 01),而丰水期CDOM吸收光谱斜率S_(275～295)均值(19. 09±1. 81)μm~(-1),显著小于枯水期的(20. 89±1. 90)μm~(-1)(t-test,P 0. 001).平行因子分析法对CDOM荧光图谱进行解析得到3个组分,且各组分受到上游来水量的影响较大,丰水期陆源类腐殖酸的荧光强度及占总荧光强度比重较枯水期显著增大.叶绿素a与化学需氧量与陆源腐殖质和类色氨酸均呈显著正相关(P 0. 01),这表明陆源生活污水及藻死亡降解产生的CDOM可能是太湖CDOM库的重要潜在来源.溶解氧浓度与3种荧光组成均呈现显著负相关(P 0. 01),说明CDOM不同组分均为微生物活动的重要基质.本研究结果还发现溶解性有机碳浓度与陆源类腐殖酸组分荧光强度呈极显著线性正相关(r~2=0. 58,P 0. 001),表明太湖溶解性有机碳主要以外源输入为主.     

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.     

青海湖流域有色可溶性有机物来源与特征分析

青海湖是我国最大的湖泊,该流域生态系统健康对维系青藏高原生态安全具有重要意义.关于我国青藏高原区内大型湖泊的有色可溶性有机物(CDOM)组成与来源研究甚少,对青海湖流域开展CDOM的来源及特征研究对该湖水质保护及填补空白区的研究具有重要意义.通过两次青海湖流域采样并结合三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAF...     

光谱特征法辨识不同污染景观河道中溶解性有机物的组分与来源

利用三维荧光光谱(EEMs)结合平行因子分析方法(PARAFAC)及紫外-可见光谱技术(UV-vis),对苏州古城区内不同污染状况的景观河道中溶解性有机物(DOM)的光谱特征和来源进行解析.结果表明,苏州古城区内景观河道水体总体上表现为氮、磷营养盐污染.水体中的DOM解析出4种荧光组分,分别为自源类色氨酸C1(AEx/...     

贵州草海水体溶解性有机物的荧光光谱特征及来源解析

为探明草海水环境污染物分布特征及来源状况,采用三维荧光光谱技术结合平行因子分析法,对草海水体中溶解性有机物组成特征进行剖析,分析有机物组分在枯水期和丰水期的浓度特征及分布差异,并采用多个荧光指数解析水体溶解性有机物的来源.结果表明,草海水体溶解性有机物中包含2种类型的4种组分,即自生源产生的腐殖质类物质C1(360/4...     

地下水中溶解性有机物的季节变化特征及成因

为阐明地下水中溶解性有机物(DOM)的分布特征与环境效应,联合三维荧光光谱、平行因子分析及主成分分析,研究了地下水中DOM的来源及随季节和空间变化特征,探究了地下水DOM组成对无机盐分布的影响.结果显示,地下水DOM主要来自微生物源,可鉴别出4种荧光组分,4种组分中,组分1和3为类蛋白组分,组分2和4属于类腐殖质组分.类蛋白组分来源差异较大,组成不稳定,其含量随季节变化明显,春冬季含量低而夏秋季含量高;类腐殖质组分来源相似,组成稳定,随季节变化小.两类荧光组分,尤其是类蛋白组分,是地下水氨氮的主要来源,可以影响地下水pH值.结果表明,三维荧光光谱结合平行因子和主成分分析,可以解析地下水中有机物的组成特征和季节变化规律.     

地下水中溶解性有机物的垂直分布特征及成因

地下水中溶解性有机物(DOM)能够改变外来污染物的存在形态和迁移转化过程,其组成和分布特征研究具有重要的环境意义.采用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱,联合平行因子分析和主成分分析,对3个不同埋深(1.2、1.5及1.8 m)地下水中DOM的来源、组成、浓度、分布特征及影响因素进行了研究,结果表明,地下水中DOM来源于陆源有机质输入和微生物活动,含有类腐殖质、异质性有机物和类蛋白物质这3种组分,类腐殖质与异质性有机物在中下层含量最高而表层最低,类蛋白物质在中间层含量最低而表层含量最高.中下层地下水中DOM的芳香性、腐殖化率、分子量和极性官能团含量最高,而表层地下水中DOM的芳香性、腐殖化率、分子量和极性官能团含量最低.地下水中DOM的垂直分布主要受有机质腐殖化率、芳香性、分子量和极性影响,腐殖化率和芳香性强、分子量大和极性高的DOM难降解、易迁移进入下层地下水.     

兴凯湖有色可溶性有机物来源与组成特征—中国境内特大型界湖

运用光谱吸收与三维荧光－平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)分析了兴凯湖有色可溶性有机物(CDOM)吸收光谱、荧光光谱特征以及荧光组分与主要水质参数的相关性,以探究兴凯湖CDOM来源组成特征.结果表明:平行因子分析法解析CDOM三维荧光图谱,得到陆源类腐殖质C1、微生物作用类腐殖质C2、类酪氨酸C3和类色氨酸C4.兴凯湖中陆源类腐殖质C1能较好反演DOC、TN浓度变化,且在富营养化更强的小兴凯湖中反演效果更好.吸收系数a₂₅₄、荧光峰积分比值I_C:I_T、光谱斜率S_275-295、DOC与C1-C2、C4在兴凯湖中线性拟合程度均较好,与C1的相关性最好,这意味着陆源类腐殖质是兴凯湖CDOM库的主要贡献者,入湖河流输入是兴凯湖CDOM的重要来源之一.小兴凯湖DOC、a₂₅₄均极显著高于大兴凯湖,说明小兴凯湖的CDOM丰度要高于大兴凯湖.小兴凯湖CDOM的I_C:I_T、C1-C2和C4的值均极显著大于大兴凯湖(P<0.001),小兴凯湖S_275-295与光谱斜率比值S_R均极显著小于大兴凯湖,小兴凯湖PC1得分均值显著高于大兴凯湖品,意味着相较于大兴凯湖而言,小兴凯湖CDOM陆源输入信号更强烈,腐殖质化程度更高,亦即河流输入、农业面源污染导致小兴凯湖CDOM腐殖质化程度升高,且这一部分CDOM分子量较大,应加强兴凯湖流域中生态渔业、生态农业、生态旅游、农田退水等河流污染源排放的控制管理.     

辽河保护区水体溶解性有机质空间分布与来源解析

以辽河保护区水体为研究对象,使用三维荧光光谱技术(EEMs)结合平行因子模型(PARAFAC)探究辽河保护区水体溶解性有机质(DOM)的组成成分、主要来源及DOM的空间分布特征.同时,结合水体理化性质指标,运用统计学分析方法研究影响DOM的主要因素.结果表明,辽河保护区表层水中DOM含有3种荧光组分,分别为陆源及海洋源...     

水中藻类溶解性有机物特性研究

试验从分子量分布、三维荧光光谱和亲疏水特性3个方面研究了水中藻类(鱼腥藻、小球藻和小环藻)溶解性有机物(AOM)的特性。结果表明,3种AOM有机物在分子量分布上大分子和中小分子有机物各占一定比例。鱼腥藻AOM和小球藻AOM均表现出大分子和小分子有机物所占比例较大,中等分子有机物所占比例较小;小环藻AOM所含大分子有机物的比例相对较小,中小分子有机物是小环藻AOM的主要组成部分。荧光光谱分析得出,鱼腥藻AOM的大分子有机物主要是大分子蛋白类和腐植酸类有机物,中小分子有机物主要是小分子糖类和大分子疏水性腐殖类有机物的分解产物。小球藻AOM大分子有机物以大分子蛋白质类为主,中小分子有机物含有较多的蛋白类和腐殖酸类物质。而小环藻AOM大分子有机物主要以大分子腐殖酸类为主,中小分子有机物腐殖酸类物质含量也较多。亲疏水性分析表明,藻类AOM呈现较强的亲水特性,其SUVA值较低,主要是由亲水性的多糖和蛋白类有机物组成,疏水性腐殖类有机物质的含量相对较少。     

城市污泥DOM的光谱特征及对氧化钙处理的响应

为了解碱预处理过程城市污泥中溶解性有机物(DOM)特征,揭示污泥调理的潜在机理,该研究采用三维荧光光谱技术结合平行因子分析法,深入探讨氧化钙处理前后不同城市污泥中 DOM 的结构变化。结果表明,CaO 处理后 pH 值显著增大,污泥提取液溶解性有机碳(DOC)浓度和总荧光强度增大;三维荧光通过 PARAFAC 解析出 3 种组分：类色氨酸 C1(280 nm/350 nm)、类富里酸 C2(320 nm/380 nm)和类络氨酸 C3(275 nm/300 nm),类蛋白质物质(C1+C3)是城市污泥主要成分;经 CaO 处理,从各组分荧光强度看,C1、C2 所占比例升高,C3 所占比例降低;从吸收光谱来看,SUVA₂₅₄、SUVA₂₆₀减小,E2/E3 增大,表明污泥提取液中 DOM 的芳香性减弱,疏水性有机质含量减少,相对分子量减小;C1、C2、C3 与 DOM 特征参数(SUVA₂₅₄、SUVA₂₆₀、E2/E3)及溶解性有机碳具有显著相关性。     

再生水补给型城市景观水体中溶解性有机物的分布及特征——以圆明园为例

天然水体中的溶解性有机物(Dissolved Organic Matter,DOM)具有多样的生态意义,已被用作评价天然水体水质状况的一项重要指标.本研究运用三维荧光光谱(Excitation-Emission Matrix Spectroscopy,EEMs)测量了圆明园水体中溶解性有机物的四季变化情况,利用平行因子...     

春灌背景下黄河上游清水河流域DOM的空间分布规律

运用三维荧光光谱技术结合紫外-可见吸收光谱表征技术,以及各种分析统计方法,对清水河流域水体中溶解性有机质（DOM）的空间分布、光谱特征及污染来源进行了解析,以期为黄河流域水环境治理及污染溯源提供较为可靠的信息.结果表明清水河流域春灌季水质指标空间差异性较大.DOM中类蛋白质物质浓度高于类腐殖质物质浓度,自生源特征强于陆源特征,且新生成的DOM占比较大,即DOM主要来源于水体微生物活动和细菌降解代谢的产物.PARAFAC解析得到6个主成分,包括4个类蛋白质组分（C1、C2、C3、C5）和2个类腐殖质组分（C4、C6）,其中类蛋白质组分的空间差异性大于类腐殖质组分,受水库水和污水处理厂排水等水体内源影响较大.PCA分析得到4个主成分,组分C5、氟离子、组分C2和HIX可分别作为该4个主成分的描述性指标.     

保定府河DOM的光谱特征及其来源解析

府河是白洋淀入淀河流中的主要河流,研究府河溶解性有机物分布特征及污染来源对入淀河流的环境管理及水质改善具有重要意义。文章2021年12月对府河干流及支流20个采样点进行采样,通过紫外光谱与三维荧光光谱-平行因子分析技术分析府河水体溶解性有机物,并对溶解性有机物组分来源进行解析。研究发现,府河水体溶解性有机物组分中类腐殖质组分含量高于水体中类蛋白组分含量,且黄花沟中有机组分对府河水体影响较大;大量城市污水处理厂出水汇入府河后类蛋白占比增大,这可能是河内生物活性提升导致,故F9以后自生源贡献升高;荧光光谱分解得到4个组分,C1、C2（类腐殖质）占71.88%,C3、C4（类蛋白）占28.12%,府河干流溶解性有机物主要来源于外源污水厂出水输入、自生源生物类蛋白和陆源农田土壤等;荧光组分与溶解性有机碳、总氮、硝态氮有显著的正相关性,PC1与荧光组分呈现显著正相关。综上,通过对府河水体溶解性有机物荧光特征及来源解析,府河受陆源类腐殖质与生物自生源双重影响,这为府河水体的进一步管理提供了理论参考。     

岩溶区水库冬季溶解有机质组成特征及来源:以桂林五里峡水库为例

近年来,三维荧光技术被广泛应用于研究天然水体中溶解有机质(DOM)的物理化学特性.为了解岩溶区水库水体溶解有机质的特征,利用三维荧光光谱并结合平行因子分析法研究桂林五里峡水库冬季水体中DOM分布特征及其来源,探讨其水化学特征以及初步估算DOM荧光组分的相对比例.结果表明,五里峡水库水体中的Ca~(2+)、HCO_3~-为主要阳阴离子,水体水化学主要受碳酸盐风化作用影响,DOC质量浓度占TOC质量浓度的91%;五里峡水库水体DOM在冬季主要由类富里酸、类腐殖酸和类色氨酸组成;荧光指数、腐殖化指标、自生源指标和新鲜度指数显示五里峡水库水体DOM在冬季整体呈现弱腐殖质化特征,自生源特征明显,微型光合生物对水体中DOM的形成起到至关重要的作用,说明水生微型生物的光合作用在岩溶碳循环中扮演着重要的角色.     

干湿季节下再生水补给河流的溶解性有机物组成特征及其与致病菌基因的相互关系

水体中溶解性有机物(DOM)对各种类型污染物的迁移转化具有重要影响.为了考察干湿季节下再生水补给水体的DOM分子多样性变化及其主要成分对致病菌分布及迁移的影响,本研究以北京两个典型的再生水补给水体(清河和沙河水库)为对象,分别在旱季和雨季采集水样,采用三维荧光光谱(3D-EEM)、平行因子分析(PARAFAC)、光谱指...     

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...