Composition analysis of colored dissolved organic matter in Taihu Lake based on three dimension excitation-emission fluorescence matrix and PARAFAC model, and the potential application in water quality monitoring

Taihu Lake is one of the five biggest lakes in China. Surface water samples from 26 sampling sites of Taihu Lake were collected. Furthermore wet chemical analysis （CODCr and BOD5） and measurement of three dimensional excitation-emission matrix （3DEEM） spectra in the laboratory have been conducted. Using parallel factor analysis （PARAFAC） model, three components of colored dissolved organic matter （CDOM） have been identified successfully, based on the analysis of 3DEEM data. The characteristics of the three components also have been described by comparing them to some components of CDOM, identified in earlier researches. Meanwhile, spatial variations of concentration for the three components in Taihu Lake have been analyzed, and the result indicates that the concentration of component 1 depends more on the situation of wastewater pollution and can be used as the indicator of wastewater pollution. The relationship between the concentrations of the three components and results of the wet chemical analysis show that none of the three components can be used as indicators of gross organic matter in water. However, the concentrations of all the three components have obvious linear relationships with the BOD5 value, especially for component 1 （r = 0.72878）. Finally, the potential applications of the composition analysis based on 3DEEM and PARAFAC model in water quality monitoring have been illuminated.     

三维荧光光谱法分析巢湖CDOM的空间分布及其来源

利用三维荧光光谱法研究了巢湖有色溶解有机物(CDOM)及其相关组分的空间分布特征,并对CDOM来源进行了分析.结果表明,巢湖西半湖CDOM平均相对荧光强度为927.1,显著高于东半湖的平均相对荧光强度544.9;CDOM组分腐殖酸(HA)和类蛋白物质浓度空间变化特征类似于CDOM;南淝河和丰乐河是西半湖CDOM的重要污染源;巢湖西北区域和中部湖区CDOM分别主要来源于南淝河和白石山河排放源.三维荧光光谱法在大型湖泊和河流水质监测中具有潜在的应用前景.     

利用三维荧光技术分析太湖水体溶解性有机质的分布特征及来源

利用三维荧光光谱法研究了太湖125个样点表层(0.5m)和底层(1.5m)水体溶解性有机质(DOM)的组成和分布特征,并对不同湖区DOM的来源进行了分析.结果表明,太湖大部分湖区水体DOM以类蛋白物质为主,其中,竺山湾DOM中的腐殖质和类蛋白物质含量均较其它湖区高.太湖水体DOM的分布存在区域差异性,即:竺山湾湖区西部湖区梅梁湾湖心区贡湖湾南部湖区.分析认为,太湖DOM的来源具有陆源输入与内源微生物降解的双重特征,但竺山湾和西部湖区以陆源输入为主,而梅梁湾、贡湖、南部湖区及湖心区以内源微生物降解为主.分析各类荧光峰强度与水质参数的相关性发现,太湖水体DOM4类荧光峰之间呈显著正相关关系,DOM的4类荧光峰均与总氮(TN)、总磷(TP)、硝酸根离子(NO3-)、铵根离子(NH4+)呈显著正相关关系(p0.01),DOM的各类荧光峰强度和溶解氧呈显著负相关(p0.01),这可能是由于水体DOM含量升高后,微生物比较活跃,消耗大量的溶解氧所致;DOM的各类荧光峰强度和溶解性有机碳(DOC)之间的相关性不显著,可能与不同湖区样品中一些非荧光物质在DOM中的比例不同有关.     

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.     

昆明湖水体悬浮颗粒物与有色可溶性有机物光谱吸收特性研究

基于2011年9月23日在北京颐和园昆明湖测量的10个采样点的水体各组分吸收系数光谱,分析了秋季昆明湖悬浮颗粒物、非藻类颗粒物、藻类颗粒物及有色可溶性有机物(CDOM)的光谱吸收特性.结果表明,水体总吸收当中,藻类颗粒物贡献率最大,CDOM次之,非藻类颗粒物贡献率最低,这表明藻类颗粒物是秋季昆明湖水体中最主要的水体组分.秋季昆明湖南部藻类颗粒物吸收系数与叶绿素a浓度均大于北部,这可能是因为昆明湖水由北侧流入从南侧流出,且北京秋季盛行北风导致的.未发现CDOM与叶绿素a浓度间具有显著的相关关系,可能与藻类空间分布不均匀、并且受CDOM外源影响有关系.     

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...     

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.     

Study on the water quality of the Taihu Lake using genotoxicological methods

ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅＴａｉｈｕＬａｋｅｕｓｉｎｇｇｅｎｏｔｏｘｉｃｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓＷｕＱｉｎｇｌｏｎｇ，ＣｈｅｎＫａｉｎｉｎｇＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＬｉｍｎｏｌ...     

地统计学在太湖水质研究中的应用

在采样数据的基础上，应用地统计学的理论与方法，尝试研究太湖水质参数空间的分布特性。结果显示，太湖水质量参数的空间结构变异性是客观存在的，各水质参数都具有块金效应，对太湖参数进行克立格插值。并进行污染水平分类，可以提供更为直观的环境信息，研究结果对太湖的水环境有一定的参考价值。     

基于中巴地球资源1号卫星的太湖表层水体水质遥感

利用CBERS 1的CCD数据和准同步地面监测数据,结合水体组分的光谱特征,建立了太湖表层水体叶绿素a和总氮的遥感信息模型.将模型用于2000 09 16太湖表层水体,所得结果较客观地反映了叶绿素a和总氮的分布趋势,表明利用CBERS 1的CCD数据进行湖泊表层水体水质指标监测具有重要的现实意义和应用前景.由于地面监测站位有限,模型在浅水草型湖泊———东太湖的适用性受到一定限制,说明同步性好、覆盖广的地面监测对于水质遥感信息模型的准确性和适用性至关重要.     

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.     

Identification of visible colored dissolved organic matter in biological and tertiary municipal effluents using multiple approaches including PARAFAC analysis

This study provided insights into the persistent yellowish color in biological and tertiary effluents of municipal wastewater through a multi-characterization approach and fluorescence excitation-emission matrix-parallel factor (EEM-PARAFAC) analysis. The characterization was performed on three to five full-scale municipal wastewater treatment plants (WWTPs), including differential log-transformed absorbance (DLnA) spectroscopy, resin fractionation, size-exclusion chromatography for apparent molecular weight analysis (SEC-AMW), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. Hydrophobic acids (HPOA) were abundant in visible colored dissolved organic matter (DOM). The SEC-AMW result showed that the molecular weight of the colored substances in the secondary effluents is mainly distributed in the range of 2–3 kDa. Through XPS analysis, C-O/C-N and pyrrolic/pyridonic (N-5) were found to be positively correlated with chroma. PARAFAC component models were built on biological (two components) and tertiary effluent (three components) and the correlation analysis revealed that PARAFAC component 2 in biological effluent (BE-C2) and component 1 in tertiary effluent (TE-C1), which were ascribed to Hydrophobic acids and Humic acid-like, were the responsible visible colored DOM components cause yellowish color. In addition, component similarity testing found that the identified visible colored DOM PARAFAC BE-C2, and PARAFAC TE-C1 were identical (0.96) in physicochemical properties, with 4% removal efficacy on average, compared with 11% for invisible colored DOM. This implied that tertiary effluents containing colorants (TE-C1) were resistant to degradation/removal using different disinfection and filtration processes in advanced treatments. This sheds light on many physicochemical aspects of PARAFAC-identified visible colored DOM components and provides spectral data to build an online monitoring system.     

白洋淀入淀河流溶解有机物沿程变化特征及来源解析

采用紫外-可见吸收光谱、三维荧光光谱,结合平行因子分析、主成分分析等方法,分析了白洋淀3条入淀河流（府河、孝义河、白沟引河）中发色团溶解有机物（CDOM）的光谱特征,阐释了CDOM组成、来源及对水质的影响机制。结果发现：河流CDOM平均浓度顺序为府河>孝义河>白沟引河,其中,府河CDOM的芳香性与分子量高于其他河流,白沟引河腐殖化程度高于其他河流,孝义河CDOM中内源性物质占比高于其他河流;3条河流均检出类腐殖质组分C1、C2、C3和类蛋白质组分C4,其中C1、C2、C3来源相近,且与C4异源;3条河流各组分最大荧光强度和总荧光强度的沿程变化表明,府河CDOM为点源、面源混合来源,孝义河CDOM以点源输入为主,白沟引河CDOM来自水源本身。

     

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.     

太湖内源营养盐负荷状况及其对上覆水水质的影响

以太湖沉积物-上覆水界面为研究对象,于2013年夏季采集46个样点的沉积物柱状样,分析表层沉积物孔隙水中营养盐(正磷酸盐、氨氮、硝氮)的浓度空间分布,估算表层沉积物中磷、氮的扩散通量,明确营养盐在沉积物-水界面的分布规律,以探明内源营养盐负荷对太湖上覆水的污染贡献,并为沉积物-水界面氮磷的转移过程理论补充证据.结果表明:太湖西北部区域的表层沉积物孔隙水中正磷酸盐和硝氮浓度较高,分别达到1.11 mg·L~(-1)和1.25 mg·L~(-1)以上;大部分湖区的氨氮浓度超过2 mg·L~(-1).全湖区范围内,从表层沉积物的上覆水到孔隙水,氨氮含量呈现升高趋势而硝氮含量呈现降低趋势.北部3个湖湾区的沉积物营养盐扩散通量最高,正磷酸盐为2.69~4.60 mg·m~(-2)·d~~(-1),氨氮为17.8~45.7 mg·m-2·d~(-1),而湖岸河口区是沉积物硝氮内源释放显著的区域.沉积物向上覆水释放正磷酸盐和氨氮的年内源污染负荷分别为64.6 t·a~(-1)和1756 t·a~(-1);而上覆水向沉积物汇入硝氮的年负荷为1102 t·a~(-1).氨氮的内源污染负荷与外源污染负荷之比高达18.7%,氨氮、总磷和总氮内源污染为上覆水贡献的浓度分别为0.361、0.013和0.134 mg·L~(-1),表明自由扩散带来的内源负荷会使太湖水中营养盐污染恶化,需引起重视.     

基于三维荧光光谱的鄱阳湖湿地水体有色可溶性有机物组成特征和来源

有色可溶性有机物(Chromophoric dissolved organic matter,CDOM)是水生生态系统的重要组成部分,在生物地球化学循环过程中起着重要的作用.本研究基于2021年4月鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区内3个碟形湖(战备湖、白沙湖和东湖)28个采样点的水样和实测水质参数数据,运用紫外-可见吸收...     

山东省平度市农村黑臭水体DOM三维荧光光谱的平行因子分析

运用三维荧光光谱联合平行因子法及相关性分析,以山东省平度市农村黑臭水体为研究对象,探讨其溶解性有机质（DOM）组成、腐殖化程度及来源。结果表明：该市农村黑臭水体DOM包含5类6个荧光组分,分别为类色氨酸荧光组分（C1和C6）、类腐殖质荧光组分（C2）、浮游生物活动产生荧光组分（C3）、类胡敏酸荧光组分（C4）、类富里酸荧光组分（C5）;荧光指数、自生源指数、腐殖化指数和新鲜度指数分别为1.6～1.9、0.8～1.0、0.6～3.0和0.80~0.95的水体占90%,表明该市农村黑臭水体DOM具有外源与内源双重特性,同时具有弱腐殖质特征;结合相关性分析得出,C1、C2、C3、C4之间均呈正相关,其中C2与C4呈极显著正相关（R²=0.98,P<0.01）,C5、C6与其他组分之间均不相关,表明该市农村黑臭水体DOM组分来源具有多样性。

     

太湖东部湖湾大型水生植物分布对水质的影响

调查了太湖东部湖湾(贡湖湾、光福湾、渔洋湾)秋季沉水与浮叶植物的种类组成、覆盖度及水体理化性质,分析了大型水生植物的生长与分布对湖水总氮、总磷、透明度与叶绿素(Chl-a)等水质因子的影响.结果表明,太湖东部不同湖湾大型水生植物的分布状况具有明显差异,其分布频度在4.8%~95.2%,并以马来眼子菜分布频度最高.大型水生植物的生长对水体营养盐含量、理化因子等具有较为明显的影响,水生植物生长区湖水不同形态营养盐含量均低于无水生植物生长区,其总氮与总磷平均含量分别低约39%与51%.此外,蓝藻水华首先会在有水生植物生长的区域堆积,且沉水植物生长优势区蓝藻水华堆积程度要高于浮叶植物生长优势区,表现为该区域Chl-a平均浓度最高,达11.15mg/L,而浮叶植物区Chl-a平均浓度为9.98μg/L,无水生植物区的水华堆积程度最低,其Chl-a平均浓度为7.19mg/L.因此,针对不同水生植物生长区,其水体富营养化治理策略亦不同.     

应用蚕豆根尖细胞微核技术监测太湖水质的研究

应用蚕豆根尖细胞微核技术对太湖水质进行监测,测定太湖各样点水样的蚕豆根尖细胞微核千分率（MCN‰）及污染指数（PI）,并进行F检验。结果表明,各样点MCN‰有显著性差异,39个样点中有6个采样点的PI在2以上,和对照组相比有显著差异（p＜0.05）,表明太湖部分区域水质受到不同程度的污染。     

太湖流域双酚AF和双酚S人体健康水质基准的研究

作为双酚A(Bisphenol A, BPA)的替代物,双酚AF(Bisphenol AF, BPAF)和双酚S(Bisphenol S, BPS)在工业中被广泛使用.近年来,BPAF和BPS在水环境中不断被检出,由于其难降解特性和较高的毒性效应,可能会对水生态系统和人体健康造成不利影响.基于此,本文以太湖流域为研究对象,开展太湖的人体健康基准研究,依据本土化人体暴露参数、水质参数、BPAF和BPS的生物累积系数等相关数据,推导出太湖流域BPAF和BPS基于人体健康风险的水环境质量基准值(Ambient Water Quality Criteria, AWQC)分别为0.4455μg·L~(-1)和10.02μg·L~(-1).此外,通过对特殊人群和普通人群的人体健康基准值进行比较,发现特殊人群的基准值均低于普通人群的基准值.该研究推导的BPAF和BPS基于人体健康风险的水环境质量基准值,可为我国双酚替代物的环境风险管理、人体健康基准研究和水环境质量标准的修订工作提供技术支持.