三峡库区消落带土壤溶解性有机质溯源:基于氮/碳比值的线性双端元源负荷分析

土壤溶解性有机质(soil DOM)作为陆地系统天然有机质的重要组成部分,以其活跃的生物地球化学性质,在污染物的环境行为中扮演着极其重要的作用.而了解其来源和结构组成是进一步明确其"结构-反应活性"的关键和前提.本文以三峡库区消落带土壤DOM为研究对象,基于传统氮/碳比值(N/C)及衍生的双端元源负荷模型,讨论该溯源方法在分子水平上的合理性;同时采用光漂白试验,进一步讨论各样本反应活性与其源负荷的相关性.结果表明,N/C值和双端元线性混合模型值均表明土壤DOM具有"陆源"和"内源"的双重特性——这与其他高级分析技术溯源结果基本一致.这种传统溯源分析结果在分子水平上具有合理性,但仅仅反映DOM结构和来源在特定面相上的信息,只能证明库区土壤DOM属于"混合型来源",却无法提供分辨率更高的特定组分来源信息.另外,N/C元素比值及源负荷分别和光漂白动力学过程极显著相关,因此可作为较方便的指标,快速简单判断DOM的光化学反应活性.但在关注DOM本身生物地球化学的研究工作中,仍建议使用多重方法的比较分析,以便于提高单一解析方法的分辨率.     

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.     

草鱼池塘水体细菌群落对蓝藻源DOM的降解及其碳代谢特征变化

以水华发生草鱼养殖池塘为背景,利用紫外-可见光谱和BIOLOG-ECO技术探讨了水体细菌群落对蓝藻源溶解性有机质（Algae-derived Dissolved Organic Matter, A-DOM）的降解,并分析了降解过程中细菌群落的碳代谢特征变化.结果显示,在细菌群落不同培养时期（0、12、36、60 h,分别记为B0、B12、B36、 B60）,A-DOM的紫外光谱吸收曲线变化明显（主要表现在0~36 h,240~280 nm处吸光度）,其相对含量（以α_（280）表征）随培养时间延长而逐渐降低（p<0.05）,而分子量（E₂/E₃）和芳香性程度（SUVA₂₅₄）逐渐增大（p<0.05）,这些揭示了细菌群落对A-DOM的显著降解作用.降解过程中,水体pH及DOC、TN、TP、NO₃^-、PO₄^3-浓度均有不同程度的降低,而NH₄⁺、NO₂^-浓度则呈显著升高（p<0.05）;细菌群落碳代谢能力及代谢多样性指数Shannon、Simpson及McIntosh均呈先增大后减小的变化,其中对糖类和羧酸类碳源的利用能力变化显著（p<0.05）;PCA分析进一步表明,细菌群落碳代谢方式存在差异且主要表现在B0、B12、B36之间;相关性Heatmap图及RDA分析显示,细菌群落对A-DOM的降解利用与其碳代谢多样性的变化密切相关,且DOC和pH是影响群落代谢功能变化的主要环境因子.研究认为,草鱼养殖水体细菌群落能有效降解利用A-DOM,降解过程中群落碳代谢特征会发生明显变化并主要受水体pH及A-DOM含量的影响.     

利用UV-vis及EEMs对比冬季完全混合下两个不同特征水库溶解性有机物的光学特性

结合紫外吸收光谱(UV-vis)与三维荧光光谱技术(EEMs),并利用平行因子分析的方法,对两个混合型水库(周村水库和金盆水库)水体中DOM的来源及差异性进行了分析.结果显示,两个水库水体均存在3个荧光组分,分别为长波类腐殖质(350/460 nm)、可见类富里酸(335/410 nm)和类蛋白(260,285/360 nm).但是两水库水体的DOM荧光强度及组分构成比例均存在显著差异(P0.01),两个水库均以类腐殖质为主,但相比金盆水库,周村水库水体中类腐殖质含量相对较低,类蛋白含量较高.周村水库DOM组分间的相关性大于金盆水库,表明后者的DOM来源更为复杂.通过荧光指数FI,自生源指标BIX,腐殖化指标HIX以及新鲜度指数(β∶α)综合对比表明:冬季,在径流量小的情况下,以耕地、畜牧、居民用地为主,沉积物内源污染严重的周村水库水体的DOM以自生源为主;沿岸以森林生态系统为主的金盆水库的DOM则来自混合输入.结果表明混合型水库水文条件及沿岸生态环境特征是决定DOM来源与特征的关键因素之一.     

污水中溶解性有机氮类化合物的氯化反应特性及其消毒副产物生成潜能

为探讨城市污水厂二级出水中溶解性有机氮(dissolved organic nitrogen,DON)类化合物的氯化消毒副产物生成潜能及其化学结构变化,首先测定DON、溶解性有机炭(dissolved organic carbon,DOC)、NH4+-N和UV254等指标以及与氯反应前后DON相对分子质量分布,并采用气相色谱测定消毒副产物(disinfection by-products,DBPs)质量浓度,最后应用红外光谱和三维荧光光谱对与氯反应前后的水样进行表征.结果表明,城市污水厂二级出水中DON、DOC、UV254和NH4+-N分别为2.47mg·L-1、14.45 mg·L-1、15.88 m-1和5.42 mg·L-1,DOC与DON比值[m(DOC)/m(DON)]为5.85 mg·mg-1,SUVA为1.09L·(m·mg)-1;与氯反应后,小相对分子质量(Mr<6 000)DON所占比例由70%提高到78%,大相对分子质量(Mr>20 000)DON所占比例从21%降到14%,占较小比例的中等相对分子质量(Mr6 000～20 000)DON基本不变;氯化消毒副产物生成潜能中一氯一溴乙腈(BCAN)质量浓度最大为6.887μg·L-1,三氯乙腈(TCAN)质量浓度最小仅为0.217μg·L-1;与氯反应前,水样的红外光谱出现6个主要吸收区域分别在3 500～3 400、2 260～2 200、1 700～1 640、1 500～1 450、1 150～1 100和850～800 cm-1;与氯反应后水样的红外光谱在1 380～1 350 cm-1和600～550 cm-1增加两个吸收区域;三维荧光光谱证实,与氯反应前后水样中变化与3个主要特征峰有关,分别代表色氨酸类蛋白质、芳香族类蛋白质和富里酸类等物质.     

岗南水库沉积物溶解性有机物光谱时空分布特征及环境意义

为探究岗南水库沉积物溶解性有机物（DOM）的时空演变机制,本文使用紫外-可见光谱（UV-vis）和三维荧光光谱-区域积分法（EEM-FRI）,分析了岗南水库沉积物DOM的来源及分布特征.结果表明：岗南水库夏季沉积物DOM的相对浓度显著高于春季、秋季以及冬季（p<0.05）;E₂/E₃值显示岗南水库沉积物DOM分子量为夏季>春季>秋季>冬季;各采样点的紫外可见光谱特征指数存在显著的季节差异（p<0.001）.荧光区域积分显示各组分存在显著的季节差异（p<0.001）,采样点的空间差异不明显（p>0.05）;易降解类物质占比大于腐殖质物质,并呈现出显著的季节差异（p<0.05）,占比大小为春季>夏季>冬季>秋季.沉积物DOM具有高的荧光指数（FI指数均>2.0）以及低腐殖化指数（HIX指数大多数<4.0）,表明岗南水库沉积物DOM呈现出低腐殖化、较强自生源的特征.荧光区域积分各组分与三维荧光光谱指数的相关性表明,易降解类物质（P1、P2、P4以及P1+P2+P4）与BIX、β：α、以及Fn280呈现显著正相关（p<0.05）,与HIX以及Fn355呈现显著负相关（p<0.05）;类腐殖质物质（P3、P5以及P3+P5）呈现出与之相反的变化趋势.聚类分析显示易降解类物质与腐殖质物质明显被分离为两部分.与此同时,综合冗余分析（RDA）、层次聚类分析（HP）、随机森林分析（RF）、集成回归树分析以及多元回归分析,发现氨氮、溶解性总氮、pH值以及温度是影响沉积物DOM荧光区域积分组分演变的关键环境因子.     

3种低分子量有机酸对紫色土吸附菲的影响

采用静态吸附实验,研究了3种低分子量有机酸(柠檬酸、苹果酸和草酸)对紫色土吸附菲的影响.结果表明紫色土吸附菲的动力学过程符合二级动力学模型,3种低分子量有机酸(LMWOAs)均能显著降低紫色土吸附菲的速率常数;线性吸附模型很好地描述了紫色土对菲的吸附热力学过程是以分配作用为主.当加入的3种LMWOAs浓度低于5 mmol·L~(-1)时,促进紫色土吸附菲;当LMWOAs浓度≥10 mmol·L~(-1)时,抑制紫色土吸附菲,抑制作用随LMWOAs浓度的增加而加强.当LMWOAs浓度为20 mmol·L~(-1)时,其抑制作用能力表现为柠檬酸草酸苹果酸,这与3种LMWOAs的分子结构和酸性强弱有关.与对照相比,随着LMWOAs浓度的增加,紫色土溶出的溶解性有机质(DOM)含量呈现先降低后升高的趋势,紫色土对菲的吸附量与土壤溶出的DOM含量呈负相关.     

五种红树植物根区原位溶解性有机物(DOM)浓度及其荧光构成分析

红树植物对根际微生物群落产生影响,应与其根区微域中的溶解性有机物(dissolved organic matter,简称DOM)密切相关.采用总有机碳(TOC)分析仪和三维荧光分析法对5种主要红树植物建群种的DOM浓度和组分进行原位采样与测定.根际土和非根际土孔隙水DOC的总平均值分别为207.87 mg·L-1、144.51 mg·L-1.从三维荧光光谱图及荧光特征值r和荧光指数FI判断,根际土中有机物浓度及成分均大于非根际土中,根际土孔隙水DOM的内源性较非根际土中强,外源输入的腐殖酸量大于富里酸量.     

江汉平原中部浅层地下水中氨氮的有机质来源探究

江汉平原地下水氨氮浓度普遍超标,但是氮污染来源尚不明晰,尤其是对潜在的有机来源氮的认识还很不充分。本研究对江汉平原中部浅层地下水和沉积物中的溶解性有机质（Dissolved organic matter,DOM）荧光组分与氨氮关系进行了调查研究,并对沉积物的氮形态进行分析,探讨了沉积物中有机质向氨氮的潜在转化过程。研究表明研究区内浅层地下水中广泛分布溶解性有机碳与NH₄⁺,并且两者浓度呈现正相关关系（R²=0.42,p<0.01）,该区域地下水呈现强还原环境有利于DOC与NH₄⁺的赋存。DOM荧光光谱谱图的平行因子分析（Parallel factor analysis,PARAFAC）结果表明：地下水与沉积物中DOM均含有类氨基酸与类富里酸组分。有机质组分荧光强度与氨氮浓度相关性结果表明：沉积物DOM中类富里酸和类氨基酸组分与氨氮均呈现强正相关性（R²=0.92~0.96,p<0.01）;地下水中DOM类富里酸组分与氨氮呈现较强的正相关性（R²=0.62~0.66,p<0.01）,而类氨基酸组分与氨氮的正相关性不明显。地下水中相较沉积物中,DOM的类富里酸和类氨基酸组分与氨氮相关性减弱,这种变化可能指示了类富里酸稳定赋存在含水层,而类氨基酸更容易分解消耗。沉积物中凯氏氮占总氮的87.04%~93.51%,表明沉积物中的氮主要为可以转变为NH₄⁺的有机氮形态,因而满足了地下水中的NH₄⁺由沉积物有机氮转化产生的必备条件。江汉平原沉积物中有机氮的分解是浅层地下水氨氮的重要来源。     

城市污水处理过程中溶解性有机物转化特性

运用反渗透技术对城市处理厂进出水中的溶解性有机物(DOM)进行浓缩富集,利用DAX-8大孔树脂将DOM分为亲水物质(Hy I)、类富里酸(FA)和类腐殖酸(HA)3种组分。研究表明,原污水中有机物各组分经生物处理后的总量去除近90%,各组分所占总TOC的百分含量在生化反应过程中也发生了变化:出水中HA组分有降低的趋势,平均下降9.77%,而FA和Hy I两大组分所占总和呈现上升趋势,其中类FA物质升高7.94%,而Hy I组分百分比略有下降。与进水相比,出水中Hy I、FA和HA组分在Ⅲ(色氨酸)、Ⅳ(酪氨酸)区的荧光峰全部消失,而在Ⅰ(类腐殖酸)、Ⅱ(类富里酸)荧光峰变化不大。SUVA和电位滴定结果表明出水有机物的结构发生变化,各组分的芳香性比进水有机物有所增加。研究结果表明,进水中的有机物在污水处理过程中,小分子物质可以被生物利用并形成新的代谢产物释放到水中,大分子物质却较难被生物利用,但在处理过程中其分子构造在一定程度上被微生物改变,系统的生化驯养可以达到构造改变的效果,从而影响出水各组分分子量变化。