1 引言

　　溶解性有機(jī)質(zhì)(Dissolved Organic Matter，DOM)是一類含有富里酸、腐殖酸、芳烴聚合物質(zhì)等可溶性的有機(jī)質(zhì)，能夠反映水體性質(zhì)組成，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有重要作用.DOM含有豐富的碳、氮、磷等生源要素，在湖泊系統(tǒng)中，其在各種物理、化學(xué)和生物以及藍(lán)藻水華爆發(fā)過程中扮演十分重要的角色.DOM兩個(gè)主要來源分別是陸源輸入和生物內(nèi)源釋放，前者主要來自降水、入湖河水、污水 處理廠廢水以及直排生活污水等，但近些年來，管理部門加大對(duì)工業(yè)廢水以及生物污水的達(dá)標(biāo)排放，外源污染逐漸得到控制，而后者來源主要為水生植物、藻類和細(xì)菌等分泌、排泄物及其殘?bào)w分解產(chǎn)物.與外源相比，內(nèi)源DOM富含豐富的碳水化合物，較易降解，且參與微生物食物鏈中物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化及能量傳遞，對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力具有顯著貢獻(xiàn).有研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源DOM是湖泊藻類爆發(fā)過程中營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，對(duì)湖泊內(nèi)源DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征和分析是研究其遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在.

　　近些年來，三維熒光光譜技術(shù)以其樣品用量少、重復(fù)性高、靈敏度高、不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于湖泊沉積物、水體及植物DOM組成結(jié)構(gòu)及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究.另外，3DEEM分析結(jié)合其他的數(shù)據(jù)分析方法(如：平行因子分析法)，研究水體中DOM特征及其來源，為認(rèn)識(shí)湖泊水體中DOM提供了新的可能.而對(duì)于典型富營養(yǎng)化淺水湖泊(太湖)而言，3DEEM技術(shù)結(jié)合平行因子法被應(yīng)用于太湖水體、沉積物DOM的組成結(jié)構(gòu)、來源以及分布規(guī)律研究.除了沉積物中累積有機(jī)質(zhì)的降解釋放，水生植物和藻類生長過程中分泌物、死亡殘?bào)w降解等也對(duì)太湖水環(huán)境中DOM產(chǎn)生了重要的影響.尤其是水生植物在太湖中廣泛分布，例如東太湖水生植物可占太湖總水生植物的74%.然而，對(duì)太湖水體、沉積物釋放、水生植物和藻類殘骸腐解后產(chǎn)生的DOM化學(xué)和光學(xué)特性的差異及其相互關(guān)系研究十分有限.故本研究利用3DEEM技術(shù)結(jié)合平行因子分析法(PARAFAC)，分析太湖水體DOM的組成結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，研究沉積物的釋放以及藻類和水生植物殘骸降解對(duì)水體中DOM熒光組成特征的影響，以期為深入理解內(nèi)源污染對(duì)富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境行為特性提供科學(xué)依據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 樣品采集與處理

　　2015年5月18—28日在太湖8個(gè)典型區(qū)域(竺山灣、梅梁灣、貢湖灣、東部區(qū)、東太湖、湖心區(qū)、西南湖區(qū)和南部沿岸)采集表層水(水面以下0.5 m)和藻類、水生植物及表層沉積物樣品(圖 1).水質(zhì)基本參數(shù)(pH、溶解氧、水溫、電導(dǎo)率)現(xiàn)場測定，測定結(jié)果見表 1.采集后的樣品置于冷藏箱中黑暗低溫保存，并立即送往實(shí)驗(yàn)室.其中，水體樣品采用玻璃纖維濾膜(GF/F，Whatman，UK)過濾，并進(jìn)行溶解性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)含量測定及3DEEM、紫外吸收系數(shù)UV254的分析.

　　　　圖1 太湖水體采樣點(diǎn)分布

　　　　表1 太湖采樣點(diǎn)坐標(biāo)及基本水質(zhì)參數(shù)

　　8個(gè)點(diǎn)位的藻類、水生植物和沉積物樣品分別等量混合為3個(gè)樣品，分別放置錐形瓶中加入超純水后密封，置于人工氣候室中，光照條件：3000 lx;明暗周期12 h ∶ 12 h;溫度(22±1)℃，實(shí)驗(yàn)中所有玻璃儀器經(jīng)HCl浸泡24 h，洗凈后高溫滅菌(160 ℃，1 h).取樣時(shí)間為培養(yǎng)前0 d和培養(yǎng)后10 d的上午10:00，使藻類和水生植物自然死亡腐爛分解，沉積物自然釋放，培養(yǎng)前和培養(yǎng)后每個(gè)處理各取20 mL液體，經(jīng)玻璃纖維濾膜(GF/F，Whatman，UK)(450 ℃，灼燒4 h)過濾后用于3DEEM的分析測定.

　　2.2 三維熒光、DOC及UV254的分析測定

　　3DEEM測定采用HITACHI F-7000熒光分光光度計(jì)(1 cm石英熒光樣品池).激發(fā)光源：150 W氙弧燈;PMT電壓：700 V;信噪比>110，;響應(yīng)時(shí)間：自動(dòng);帶通(B and pass)：激發(fā)波長λEx=5 nm，發(fā)射波長λEm=5 nm;掃描速度：2400 nm · min-1;掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正;水樣掃描波長范圍：λEx=200~400 nm;λEm=250~500 nm，藻類和沉積物樣品掃描波長范圍：λEx=200~450 nm;λEm=250~600 nm，水生植物樣品掃描波長范圍：λEx=200~600 nm;λEm=250~800 nm;測定前，保持溫度恒定(恒溫水浴20 ℃±1 ℃);以Milli-Q超純水做空白;實(shí)驗(yàn)過程中每隔5個(gè)樣品，利用Milli-Q超純水的拉曼光譜強(qiáng)度監(jiān)控?zé)晒鈨x的穩(wěn)定性，同時(shí)利用0.01 mg · L-1硫酸奎寧進(jìn)行熒光定標(biāo).

　　水樣UV254的測定采用Agilent安捷倫8453紫外可見分光光度計(jì)，以1 cm比色皿Milli-Q超純水做空白，同時(shí)測定溶液在254 nm和365 nm處的吸光度，利用其差值消除懸浮物吸光度值測定的影響.另外，采用TOC測定儀(Multi N/C 3100，德國)分析水體樣品中DOC濃度.

　　2.3 數(shù)據(jù)分析

　　在Matlab中使用DOMFluor工具箱運(yùn)行PARAFAC法模型對(duì)采樣點(diǎn)的3DEEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用SPSS 11.5軟件進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，3DEEM光譜圖用Sigmaplot12.0軟件進(jìn)行處理.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 太湖DOM主要熒光峰

　　不同湖區(qū)水體采樣點(diǎn)和降解實(shí)驗(yàn)DOM三維熒光樣品檢測后，共得到8種熒光組分，見表 2.其中T1、T2、B1、B2合稱為類蛋白熒光峰，T1、T2峰反映的 是生物降解來源的類酪氨酸物質(zhì)，代表與微生物降解產(chǎn)生的芳香性蛋白類結(jié)構(gòu)有關(guān)的熒光基團(tuán).而B1、B2峰反映的是生物降解來源的類色氨酸物質(zhì)，與DOM中的芳環(huán)氨基酸結(jié)構(gòu)有關(guān).而F、M、C、A峰反映的是類腐殖酸、類腐殖質(zhì)及可見區(qū)和紫外區(qū)的類富里酸，代表較難降解的DOM，與類富里酸熒光和腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的羥基和羧基有關(guān)，一般來自于陸源，也可能來源于原位細(xì)菌降解過程中細(xì)菌呼吸作用的副產(chǎn)物.有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，浮游植物原位降解產(chǎn)生的DOM中包含大約25%的類腐殖質(zhì)熒光.本研究中出現(xiàn)的熒光峰與劉明亮、宋曉娜等對(duì)太湖DOM三維熒光光譜分析得到的熒光峰類型一致.

　　表2 溶解性有機(jī)質(zhì)的主要熒光峰及相應(yīng)位置

 　　3.2 太湖水體DOM熒光特征及熒光強(qiáng)度

　　太湖水體均不同程度的出現(xiàn)了代表類色氨酸熒光物質(zhì)的T1、T2峰：T1峰強(qiáng)度南部沿岸8#>梅梁灣2#>貢湖灣3#;T2峰強(qiáng)度南部沿岸8#>竺山灣1#>梅梁灣2#>貢湖灣3#;其余區(qū)域T1、T2峰相差不大.這可能是因?yàn)樘�湖南部沿岸接納了湖州市大量工業(yè)廢水和生活污水，使大量DOM進(jìn)入湖區(qū)內(nèi)，同時(shí)，西南湖區(qū)靠近宜興市，且分布著大量的入湖河流(如大浦河等)，其順流而下流入南部區(qū)，最終 造成南部沿岸水體營養(yǎng)鹽豐富，微生物活動(dòng)比較活躍，浮游動(dòng)植物死亡分解后會(huì)產(chǎn)生大量類色氨酸等類蛋白物質(zhì)，而北部湖區(qū)(如梅梁灣、竺山灣、貢湖灣)屬于典型的藻型湖區(qū)，該區(qū)域接納了常州市和無錫市大量的工業(yè)廢水和生活污水，人為影響較大，再加上太湖受到西北風(fēng)向的影響，藻類等浮游生物易在北部湖區(qū)停留繁殖生長，最終造成類色氨酸物質(zhì)的增強(qiáng)，這與宋曉娜等的研究結(jié)果一致.其中，竺山灣1#水體不僅存在大量T1、T2類色氨酸熒光峰，還出現(xiàn)了代表類腐殖酸的F熒光峰和代表可見區(qū)類富里酸的C熒光峰，其相對(duì)類色氨酸來說，熒光強(qiáng)度略小，說明竺山灣還有部分外源輸入，有研究發(fā)現(xiàn)漕橋河和太滆運(yùn)河是竺山灣的主要入湖河流，尤其是漕橋河位于常州市武進(jìn)區(qū)與宜興市的交接處，工業(yè)排放密集，導(dǎo)致攜帶大量DOM的工業(yè)廢水和生活污水進(jìn)入河道，再流入竺山灣，最后導(dǎo)致竺山灣的類腐殖酸物質(zhì)和類蛋白物質(zhì)均較高，使其DOM兼具了陸源與生物來源的雙重特性.

　　　　　　表3 太湖水體DOM熒光峰位置及強(qiáng)度

　　已有研究表明，在藻類爆發(fā)期間太湖水體主要以類色氨酸熒光物質(zhì)和類酪氨酸物質(zhì)等類蛋白物質(zhì)為主，但本研究中只出現(xiàn)了類色氨酸熒光物質(zhì)，這可能是因?yàn)?月下旬，太湖藻類處于生長初期，還未達(dá)到藻類爆發(fā)高峰時(shí)期，藻類死亡腐爛分解還在湖水自凈的承受范圍之內(nèi)，部分類酪氨酸物質(zhì)濃度低于熒光光譜檢測限導(dǎo)致未檢測出來.

　　3.3 太湖水體DOM污染來源分析

　　熒光指數(shù)(Fluorescence Index，f450/500)定義為激發(fā)波長為370 nm時(shí)，發(fā)射波長在450 nm與500 nm處的熒光強(qiáng)度比值.該指數(shù)通常用來研究和表征DOM中腐殖質(zhì)的來源.陸源和生物來源DOM的f450/500值分別為1.4和1.9(Jaffé et al.， 2004).由表 4可見，竺山灣f450/500為1.53±0.06，接近陸源f450/500值(1.4)，而梅梁灣f450/500最高(1.75±0.58)，其次是貢湖灣和南部沿岸，這表明梅梁灣受內(nèi)源污染較大，梅梁灣、貢湖灣等北部湖區(qū)和南部沿岸屬于典型的藻型湖泊，其藻類等微生物活躍，造成水體類蛋白物質(zhì)豐富，而竺山灣受到城市等工農(nóng)業(yè)及生活用水的排放，使得該湖區(qū)具有陸源與生物內(nèi)源雙重性質(zhì)，且接近陸源特征.其中，竺山灣1#點(diǎn)DOC濃度達(dá)到(7.13±2.45)mg · L-1，為全湖最高，這也說明其有機(jī)物濃度最高，污染最為嚴(yán)重;其次是東太湖，該區(qū)域是典型的草型湖泊，水生植物旺盛，其有機(jī)碳來源和含量較豐富，這與湖泊類型和水生植物有機(jī)碳輸入密切相關(guān).而UV254可表征溶液中芳香性和具有雙鍵結(jié)構(gòu)的物質(zhì)含量，疏水性的物質(zhì)易被吸附，而芳香性和具有雙鍵結(jié)構(gòu)的物質(zhì)是構(gòu)成疏水性物質(zhì)的主要組分.UV254作為有機(jī)物檢測的重要水質(zhì)指標(biāo)，可替代COD和TOC評(píng)價(jià)溶液中有機(jī)物含量.如表 4所示，UV254從高到低為竺山灣>梅梁灣、貢湖灣>湖心區(qū)>南部沿岸>東部區(qū)>西南湖區(qū)>東太湖，竺山灣最高可能是由于外源輸入的腐殖質(zhì)一般為疏水性物質(zhì)，而東太湖最低與該湖區(qū)生態(tài)環(huán)境有關(guān)，水生植物茂密，腐爛分解后，易被水體中微生物分解利用的親水性物質(zhì)釋放到水體中，因此代表疏水性質(zhì)的UV254值較低.另外，熒光指數(shù)、UV254以及DOC濃度的分析結(jié)果與太湖各采樣點(diǎn)水體3DEEEM表征結(jié)果所反映出來的特征基本一致.

表4 太湖水體熒光指數(shù)、UV254和DOC濃度

　　3.4 太湖藻類、水生植物降解以及沉積物釋放對(duì)水體DOM熒光特征的影響

　　在培養(yǎng)前(0 d)，太湖采集的藻類樣品水溶解性有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)了7類熒光峰，分別是代表類腐殖酸的F峰，類富里酸的C、A峰，類酪氨酸的T1、T2峰和類色氨酸的B1、B2峰，藻類死亡腐爛分解后產(chǎn)生的DOM中具有類色氨酸和類酪氨酸等類蛋白物質(zhì)，這與藻類等殘骸含有大量蛋白質(zhì)密切相關(guān).在經(jīng)過10 d的自然降解后，藻類DOM中類蛋白熒光物質(zhì)中的紫外區(qū)類色氨酸B2和類酪氨酸T2熒光峰消失，同時(shí)，其他熒光峰的熒光強(qiáng)度均有不同程度的降低.其中，紫外區(qū)與可見區(qū)的類富里酸降解率最大，分別降解了70.3%和41.0%.這說明在藻類自然死亡腐爛分解的過程中，自身的部分類蛋白物質(zhì)和部分類富里酸物質(zhì)在細(xì)菌等微生物的作用下逐漸降解，這部分營養(yǎng)物質(zhì)可能進(jìn)一步釋放至水體或在表層沉積物中累積，并造成水體及湖泊生態(tài)環(huán)境的二次污染.水生植物DOM中出現(xiàn)的熒光峰較少，分別為代表類腐殖酸的F峰和陸源類腐殖質(zhì)的M峰，其中類腐殖酸出現(xiàn)了兩處熒光峰位置，分別為Ex/Em=450/530和410/480.這與Qu等研究報(bào)道的滇池水生植物中DOM熒光峰特征類似.在水生植物及其DOM自然降解后，F(xiàn)峰合成為一個(gè)熒光峰，熒光波長稍有偏移，出現(xiàn)在Ex/Em=410/470，而M峰消失.對(duì)水生植物的熒光強(qiáng)度變化進(jìn)一步研究表明消失的M峰熒光強(qiáng)度恰好與F峰熒光強(qiáng)度的增加等量.這暗示了在水生植物來源的DOM自然降解過程中，陸源類腐殖質(zhì)M峰向著類腐殖酸F峰轉(zhuǎn)化，形成更穩(wěn)定的高分子聚合物，因此水生植物殘骸對(duì)水體二次污染的貢獻(xiàn)率低于藻類腐爛殘骸.當(dāng)然，水生植物的腐爛分解過程也會(huì)向水體釋放DOM，且隨腐解時(shí)間的長短變化不同，生物量越大，其釋放的TN越多，對(duì)水質(zhì)的影響越大，隨著腐解時(shí)間越長，DOM結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，腐殖化程度越高.

　　除了藻類和水生植物死亡腐爛分解產(chǎn)生的DOM會(huì)進(jìn)入湖泊水體中，沉積物向上覆水體的釋放作用也不容小覷，在沉積物培養(yǎng)前(0 d)，沉積物來源的DOM出現(xiàn)了5類熒光峰，兼具外源污染的類富里酸熒光C峰和A峰，也同時(shí)含有生物來源的B1、B2、T2類蛋白熒光峰，這表明水體、藻類或水生植物殘?bào)w中的有機(jī)物通過沉降作用部分沉積在表層沉積物中，間接反映了沉積物中DOM的來源.培養(yǎng)10 d后，沉積物DOM中的類蛋白熒光T2峰全部消失，B1和B2熒光物質(zhì)的降解率分別高達(dá)86.5%和82.5%，而類富里酸熒光C峰和A峰略有上升，分別上升25.1%和1.5%,這是由于類蛋白熒光峰(包括T1、T2、B1和B2峰)由一些帶有熒光基團(tuán)(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)的氨基蛋白酶和多肽等較為簡單分子結(jié)構(gòu)、分子縮合度較低的有機(jī)物質(zhì)組成，因此易于降解.而類富里酸熒光峰的略微上升，可能是少部分類蛋白物質(zhì)向著類富里酸物質(zhì)轉(zhuǎn)化.洱海沉積物DOM也有類似規(guī)律，其沉積物在培養(yǎng)17 d后，部分類蛋白熒光峰向類富里酸物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化.有部分類蛋白物質(zhì)向類富里酸物質(zhì)(C、A峰)轉(zhuǎn)化，大量類蛋白物質(zhì)(T2、B1、B2峰)降解并消失，這一部分類蛋白物質(zhì)在湖泊沉積物-水體界面中，很有可能在微生物作用下向上覆水體釋放，造成上覆水體類蛋白物質(zhì)增多，最終使得太湖各個(gè)湖區(qū)水體DOM主要以類蛋白物質(zhì)為主.

　　4 結(jié)論

　　1)太湖水體、藻類、水生植物和沉積物DOM出現(xiàn)8種熒光組分，主要為類腐殖質(zhì)、類富里酸和類蛋白物質(zhì)(包括類色氨酸和類酪氨酸)，其中太湖水體主要以類色氨酸物質(zhì)為主，且熒光強(qiáng)度南部沿岸>北部湖區(qū)(竺山灣、梅梁灣、貢湖灣)>其他湖區(qū)，這與太湖南部沿岸和北部湖區(qū)大量工業(yè)廢水和城市生活污水密集排放有關(guān)，其中竺山灣DOM兼具陸源與生物來源(藻類死亡腐爛分解)的雙重特性.

　　2)太湖藻類DOM組成豐富，自然降解過程中，大量類蛋白物質(zhì)和部分易降解的類富里酸物質(zhì)向水體中釋放，易造成水體及湖泊生態(tài)系統(tǒng)的污染，為藻類循環(huán)往復(fù)爆發(fā)提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，而水生植物腐爛分解后DOM釋放量相對(duì)藻類較小，其逐漸轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的類腐殖質(zhì).具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3)除了藻類和水生植物腐解后對(duì)水體內(nèi)源污染有貢獻(xiàn)以外，沉積物釋放也會(huì)影響水體DOM組成結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，隨著沉積物降解時(shí)間的增長，大量類蛋白物質(zhì)向上覆水體中釋放，部分類蛋白物質(zhì)向類富里酸物質(zhì)轉(zhuǎn)化.因此，太湖水體-藻類-水生植物-沉積物在微生物以及各種酶的作用下各內(nèi)源組分相互遷移轉(zhuǎn)化，共同構(gòu)成了復(fù)雜且有機(jī)的湖泊生態(tài)系統(tǒng).