Simulated photo-degradation of dissolved organic matter in lakes revealed by three-dimensional excitation-emission matrix with regional integration and parallel factor analysis

Simulated photo-degradation of fluorescent dissolved organic matter(FDOM) in Lake Baihua(BH) and Lake Hongfeng(HF) was investigated with three-dimensional excitationemission matrix(3 DEEM) fluorescence combined with the fluorescence regional integration(FRI),parallel factor(PARAFAC) analysis,and multi-order kinetic models.In the FRI analysis,fulvic-like and humic-like materials were the main constituents for both BH-FDOM and HF-FDOM.Four individual components were identified by use of PARAFAC analysis as humic-like components(C1),fulvic-like components(C2),protein-like components(C3) and unidentified components(C4).The maximum 3 DEEM fluorescence intensity of PARAFAC components C1-C3 decreased by about 60%,70% and 90%,respectively after photo-degradation.The multi-order kinetic model was acceptable to represent the photo-degradation of FDOM with correlation coefficient(R_(adj)~2)(0.963-0.998).The photo-degradation rate constants(k_n) showed differences of three orders of magnitude,from 1.09 x 10~(-6) to 4.02 x 10~(-4) min-1,and half-life of multi-order model(T_(1/2)~n)ranged from 5.26 to 64.01 min.The decreased values of fluorescence index(FI) and biogenic index(BI),the fact that of percent fluorescence response parameter of Region I(P_(Ⅰ,n)) showed the greatest change ratio,followed by percent fluorescence response parameter of Region II(P_(Ⅱ,n),while the largest decrease ratio was found for C3 components,and the lowest T_(1/2)~n was observed for C3,indicated preferential degradation of protein-like materials/components derived from biological sources during photodegradation.This research on the degradation of FDOM by 3 DEEM/FRI-PARAFAC would be beneficial to understanding the photo-degradation of FD OM in natural environments and accurately predicting the environmental behaviors of contaminants in the presence of FDOM.     

基于UV-vis和EEMs解析白洋淀冬季冰封期间隙水DOM的光谱特征及来源

基于三维荧光光谱（EEMs）技术结合平行因子分析法（PARAFAC）以及紫外-可见光谱技术（UV-vis）,对雄安新区-白洋淀冬季冰封期不同特征区域间隙水溶解性有机物（DOM）的光谱特征以及来源进行解析.结果表明：冬季冰封期白洋淀不同特征淀区间隙水DOM的相对浓度差异显著,养殖区的最高、旅游区的最低;冰封期白洋淀大部分区域间隙水DOM的E₃/E₄均大于3.5,说明DOM以低腐殖质成分为主;三维荧光通过PARAFAC解析出3种组分,分别为类酪氨酸（C1）、类色氨酸（C2）和陆源腐殖质（C3）;对3个组分进行相关性分析,结果显示C1与C2之间的相关系数达到0.99（p<0.001）;白洋淀各个特征区域间的DOM总荧光强度和各荧光组分相对丰度呈现显著的差异（p<0.05）;DOM的总荧光强度以及各组分的荧光强度均呈现出唐河入淀口高的特征,C1+C2是DOM的主要成分呈现养殖区多、自然区少的特点,养殖区达到79.30%~92.04%,自然区达到26.60%~38.55%;冰封期白洋淀间隙水水体的DOM荧光指数FI为（2.58±0.23）>1.8,生物源指数（BIX）为1.20±0.25,表明白洋淀DOM来源于生物活动并且以自生源为主,与腐殖程度指标（HIX）的结果相吻合;a₂₅₄与硝氮、溶解性总磷和A₂₅₄/A₂₀₄,a₃₅₅与S_350~400;a₄₄₀与S_275~295、S_350~400、E₂/E₄、E₂/E₆和E₄/E₆,C1以及C2与Fn₂₈₀,C3与硝氮和Fn₃₅₅相关性很好（p<0.05）.综上,通过对冬季冰封期白洋淀各个典型淀区间隙水水体DOM光谱特征进行研究,可以为分析白洋淀水体有机物污染特征和白洋淀的水质管理提供技术支持.     

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.     

双酚A在河口水中的光解动力学

为研究双酚A（BPA）在河口水中的光解动力学及水中重要溶解性组分对其光解的影响,在广西钦州大榄江连接茅尾海的河口水域采取水样,通过模拟日光实验研究了河口水中BPA的光解动力学,及河口水中的重要溶解性组分Cl^-,Br^-,溶解性有机质（DOM）,NO₃^-和HCO₃^-对BPA光解的影响.结果表明,河口水中BPA的光解速率常数k值比纯水中大,且上游水样中BPA的k值是下游水样的2.5倍.稳态光解实验表明DOM及其与卤素离子作用显著影响BPA的光解,虽然NO₃^-也影响BPA光解,但与DOM共存时,NO₃^-的影响不明显.自由基淬灭和竞争反应动力学实验发现激发三重态DOM（³DOM^*）和卤素自由基（HRS）是决定河口水样中BPA光降解的主要活性物种,且³DOM^*与BPA的反应活性（二级反应速率常数k_3DOM*,BPA=4.42×10⁸L/（mol·s）要高于HRS与BPA的反应活性（k_BPA,Cl·=2.11×10⁸L/（mol·s）,k_BPA,Cl2·-=8.5×10⁶L/（mol·s）.下游水样中高含量的卤素离子（292mmol/L）易淬灭³DOM^*产生反应活性较低的HRS,致使下游水体中BPA的光解速率低于上游水体.     

新疆奎屯地区高砷地下水DOM三维荧光特征

新疆奎屯地区是中国大陆第一个地方性砷（As）中毒病区,为了解析该地区高As地下水中溶解性有机物（DOM）的组分和来源,探索其在As迁移转化过程中的作用,利用三维荧光光谱结合平行因子分析法对奎屯地区水样进行研究.结果表明：该地区地下水As含量范围在1.30~400.68μg/L,平均值为61.18μg/L,有68.99%的地下水为高As地下水.地下水中DOM含有3种组分：类腐殖质C1（260（325） nm/425nm）,占2.78%;类色氨酸C2（275nm/350nm）,占18.74%;微生物源的还原性醌类C3（260（375） nm/475nm）,占54.12%.研究区水体DOM的荧光指数在1.2~1.52之间,均值为1.36,水中DOM以陆源为主.该地区地下水整体呈现还原-弱碱性环境,地下水中As的释放过程主要有铁氧化物矿物还原和脱硫酸作用,水中的DOM参与了铁、硫酸盐的还原反应过程,类色氨酸C2主要在微生物呼吸过程中充当电子供体角色,还原性醌类C3担任了电子飞行过程中的电子穿梭体,增强了As从含水层沉积物中释放到地下水的迁移性能.     

水环境中秸秆源溶解有机质的组成及光化学活性特征

利用紫外-可见吸收光谱、三维荧光光谱和稳态光化学反应技术,对水环境中水稻和小麦秸秆短期（91d）分解释放的溶解有机质（DOM）的组成、结构和光化学活性进行了研究.结果表明：在水环境中,秸秆分解释放DOM过程可分为物理淋溶、易分解组分分解和难分解组分分解三个阶段,其中易分解组分是该分解过程中秸秆DOM的主要来源;随分解周期增长,秸秆源DOM的芳香性、腐殖化程度及分子量不断增大,而生物可利用性逐渐减小;秸秆源DOM中的类酪氨酸、类腐殖酸和类富里酸在秸秆分解过程中逐渐累积,至分解末期,3种组分在水稻和小麦秸秆DOM中的含量分别增加了4.2%~14.3%和5.9%~12.8%,而类色氨酸和溶解性微生物分泌物相对不稳定,会被逐渐分解;秸秆源DOM的紫外和荧光光谱特征指数SUVA₂₅₄、E2/E3、S_275~295、S_R、BIX和FI均与其光生HO×、¹O₂和三线态DOM间具有良好的相关关系（r > 0.61,P < 0.05）,因此秸秆源DOM的光化学活性由其芳香结构、分子量及生物可利用性共同决定.鉴于此,研究认为,探讨生物可利用组分的光化学活性,及构建光谱特征指数预测DOM光化学活性的数学模型,是今后秸秆源DOM生态环境作用研究的两项重要内容.     

黄海溶解无机氮及颗粒有机氮收支与转化模型

为了解黄海氮营养盐的循环规律与收支情况,利用一个高分辨率物理-生物地球化学耦合模型（ECSECOM）,模拟了黄海溶解无机氮（DIN）、颗粒有机氮（PON）的循环收支情况,分析了各源汇项的空间分布特征及季节变化规律及不同形态之间转化规律.结果表明：黄海DIN浓度在春、夏季较低,秋、冬季恢复至高水平.PON浓度在冬、春季较低,在夏、秋季有升高的趋势.浮游植物光合作用和呼吸作用是DIN最主要的汇和源,初级生产消耗的DIN中29.47%由水体内碎屑物质矿化分解提供,外源输入的DIN占总浮游植物生长需求的14.60%.浮游植物死亡是PON最大的源,沉积物为PON的净汇.大气氮沉降对黄海的影响范围全面,底沉积物释放和河流输入的DIN对黄海的影响是局地的.从PON与DIN之间的循环转化来看,PON中有48.50%转化为DIN,其余大部分都沉积到海底界面,而DIN向PON的转化率为38.85%.     

天然水体溶解性物质对5种抗生素光解的影响

建立了分析水体溶解性物质对抗生素光解影响的方法,对比研究了8种典型天然水体成分对3类5种抗生素光解的影响及其作用机制.结果表明,不同水体成分对不同抗生素光解影响呈现很大的差异性.甲砜霉素主要发生间接光解,纯水中光解速率只有1.33×10^-5min^-1,而其他抗生素则同时发生直接光解和间接光解.水体成分中NO₃^-,Fe²⁺和Cl^-主要通过光致活性物种（·OH和¹O₂）影响抗生素光解,DOM主要通过滤光作用影响抗生素光解.另外Ca²⁺和Mg²⁺对不同抗生素的光解影响主要通过其与抗生素分子的络合作用实现,Ca²⁺和Mg²⁺分别促进了恩氟沙星光解（0.3933min^-1和0.2314min^-1）,但一定程度上抑制了沙拉沙星的光解（0.0447min^-1和0.0289min^-1）.     

溶解氧对短程硝化稳定性及功能菌群的影响

在常温条件下,采用序批式反应器（SBR）研究不同溶解氧（DO）浓度对短程硝化稳定性的影响.在低DO （0.5mg/L）条件下,前75个周期可以一直维持短程硝化,亚硝积累率（NAR）在80%以上,但是随着运行周期增加,NAR逐渐减少,到105个周期已完全变为全程硝化.通过接种同一污泥提高DO浓度到2.5mg/L,经过180个周期,NAR始终在90%以上,能够长期维持短程硝化的稳定运行.通过不同DO条件下AOB和NOB的氧半饱和常数对比分析及qPCR试验研究,结果表明长期低DO条件下容易使Nitrospira的生长获得优势,Nitrospira是影响短程硝化稳定的重要因素,高DO条件下,AOB对溶解氧具有更高的亲和力,通过提高供氧浓度的策略,可以维持短程硝化的长期稳定.     

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.