三维荧光技术在天然水质表征中的研究进展

李娟娟,黄玉明

(西南大学化学化工学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400715)

研究表明溶解性有机质DOM(dissolved organic matter)普遍存在于河流、湖泊及海洋等天然水域中,其富含羟基、羧基、氨基和芳香环等活性基团,具有高的迁移和反应活性[1]。DOM能与金属离子形成络合物,从而影响金属的溶解性和毒性。在饮用水处理过程中,DOM的存在会使氯化消毒过程中产生更多的副产物。在天然水域中DOM含有丰富的碳、氮、磷等营养元素,能够影响天然水的各种物理、化学和生物过程,对于蓝藻水华的暴发也有重要作用[2]。由于DOM的广泛存在,且能参与多种物理化学及生物过程,对水环境质量有重要影响,已成为人们关注的焦点之一。

DOM的分子量、化学结构及官能团都具有较大的分布范围,且有难以表征的部分,因此对DOM的各个成分进行详尽分析变得困难[3]。近年来对于DOM的成分和含量分析多借助于荧光光谱技术,特别是三维荧光光谱 EEM(Three-dimensional Excitation-Emission Matrix Spectra),已经用于水体中DOM的表征。相对于红外、核磁共振及气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)等DOM测定方法, EEM具有快速、灵敏度高、样品量少及无需前处理富集样品等优点,现已成为DOM表征的首选方法。过去的20年间EEM已用于淡水、海岸水及海洋水的研究中[4-6]。在水处理过程、污染预警和水质监测方面EEM能够有效地反映出DOM浓度以及特征的微小变化,所以在污水处理研究中也有应用。Henderson等人对EEM在循环水处理过程中的应用进行了综述[7]。对近10年来 EEM在天然水水质表征中的研究进行简要评述,重点将围绕环境因素对三维荧光测定DOM的影响以及三维荧光在天然水质监测中的研究成果等方面。

1 三维荧光峰的分类

根据Coble等人的研究,环境水样中通常存在6类荧光峰[4],其名称及荧光峰位置分别为:Peak A,腐殖酸(humic-like)荧光峰,λEx/Em=237-260/ 400-500 nm;Peak B,酪氨酸(tyrosine-like)荧光峰, λEx/Em=225-237/309-321 nm,275/310 nm;Peak T1,色氨酸荧光峰(tryptophan like),λEx/Em=275/340 nm;Peak T2,色氨酸荧光峰(tryptophan like),λEx/Em=225-237/340-381 nm;Peak C,类腐殖酸(humiclike)荧光峰,λEx/Em=300-370/400-500 nm;Peak M,海洋腐殖酸(marine humic-like)荧光峰,λEx/Em= 290-310//320-410 nm。

海水中腐殖酸(Peak M)的荧光峰较为明显,海洋腐殖酸能够促进蓝藻的增长,与生物活性有关[4,8]。Peak B,Peak T1和 Peak T2均为类蛋白(protein like)荧光峰,一般在来源于污水的水源中含有较强的类蛋白荧光峰,而在较为洁净的天然水域中 Peak A和 Peak C荧光峰占主导地位[9]。Peak T1和Peak T2一般是受人类活动影响而存在的荧光峰,一定范围内可以作为天然水域中受人类活动影响的水示踪剂[4]。在不同的水样中上述6个荧光峰的荧光位置可能会发生红移或蓝移。当DOM浓度较高时荧光峰发生红移,反之则发生蓝移。

2 环境因素对DOM荧光的影响

DOM的荧光峰强度不仅与本身的性质和浓度有关,还受环境因素如pH,温度,金属离子等的影响。

2.1 pH对于DOM荧光强度的影响

p H的变化会引起DOM分子形状发生变化,低 p H值会使DOM分子发生卷曲,荧光基团外露较少,导致荧光强度降低;高p H值会使DOM分子伸展,荧光基团外露较多,导致荧光强度增强[10]。p H对于DOM不同荧光峰的影响效果有一定差别:当4

5.5时荧光强度也随p H的增加而增强,但是增强不显著[11];当3

8时,色氨酸荧光强度增加30%;酪氨酸荧光强度受p H的影响比其他荧光峰都要显著[9]。荧光光谱技术一般用于测定p H值为2～12的溶液,有时为了减小p H对于荧光强度的影响,可将p H调到6～7的中性范围内再进行测定[12]。而天然水的p H值在5～9之间,在此p H范围内所有荧光峰的荧光强度的最大变化在10%左右,所以环境样品的p H变化并不影响三维荧光技术用于表征和分辨不同来源的DOM。

2.2 金属离子对DOM荧光强度的影响

金属离子与DOM能够发生络合作用而使DOM的荧光强度发生猝灭。在天然水中的类腐殖酸荧光峰(Peak A和Peak C)的荧光强度受金属离子的影响最为显著[9]。金属的磁性不同对于DOM的荧光强度的猝灭情况并不相同。一般而言,顺磁性金属离子如 Cu2+,Fe3+,Hg2+,Ni2+,Zn2+能够与腐殖酸发生络合反应而猝灭荧光[11,13-14]。反磁性金属离子如Al3+,Mg2+,Ca2+和Cd2+对腐殖质荧光强度的影响比较复杂,可能会猝灭、增强或者无影响[15]。金属离子对于DOM荧光强度影响作用主要是在实验室条件下通过加入自由金属离子进行研究的,而在自然环境中金属主要以颗粒物和金属有机物的形式存在,而且金属的性质受p H的影响比较大[16]。所以目前关于金属离子对DOM荧光强度是否有显著影响还存在争议,有待进一步研究。

2.3 温度对DOM荧光强度的影响

荧光强度受温度的影响较大[7],温度的改变并没有改变DOM的分子结构,所以温度对荧光强度的影响是可逆的。有些研究发现温度对荧光强度的影响是不可逆的,可能是因用光源对样品进行升温的过程中DOM发生了光降解或者分解所致[9]。

3 三维荧光在环境监测中的应用

通过DOM的三维荧光光谱能够识别出不同的荧光峰,同时能够给出不同荧光峰的荧光强度。天然水体中富里酸、腐殖酸的荧光强度与类蛋白氨基酸的荧光强度的比值与水中浮游植物、动物和人类的活动有关。根据不同的荧光峰之间的荧光强度比值可以检测和分辨出土壤、河流、湖泊及海洋等不同来源的DOM[17]。

3.1 海洋DOM

三维荧光技术已经应用海洋和入海口处水中DOM的表征,以反映海洋微生物的生物活性、浮游生物对海洋DOM的影响[18-19]以及海岸水DOM和陆源DOM对开放海域海水的影响。海洋腐殖酸(Peak M)不同于陆源腐殖酸(Peak C),它不是由陆源腐殖酸转化而来的,而是由海洋环境中新产生的腐殖酸,它与海洋生物的活性有关[4]。不同深度的海水中和离海岸线距离不同的海水中DOM的荧光变化主要表现为腐殖酸荧光强度的变化。离海岸线和入海口越远Peak A的荧光强度越低,Peak M的荧光强度越强,即离海岸线和入海口越远,海洋腐殖酸的影响效果越明显[20-21]。河流和海洋深处水样的Peak C能够反映出有机物的腐殖化程度和成熟度,水样中Peak C的最大Ex/Em波长红移越明显,表明该处水样中有机质腐殖化程度和成熟度越高。水样中Peak M的最大Ex/Em波长的红移与盐度有关,随着盐度降低,Peak M逐渐向长波长的Peak C区域红移,以此可分辨河流水和海洋水[22]。海水中的类蛋白荧光峰(Peak B,Peak T1,Peak T2)受内源和外源2方面的影响:内源即某一海域环境自身产生的类蛋白,外源是通过水流交汇等途径引入的其他地域的类蛋白。在入海口、港口和近海岸处Peak T1和Peak T2的变化可反映出人类活动对海水的影响[23],在远海区域Peak T1和Peak T2反映生物活性[24-25]。所有海水中均存在酪氨酸荧光峰(Peak B)[24]。

3.2 在淡水和河口三角洲地区的DOM

淡水中DOM的浓度和特征差异较小,可利用EEM的高灵敏度来检测出DOM的微小变化。一般淡水中含有较多的腐殖酸,Peak A和Peak C荧光强度大,而污水中含有类蛋白较多,Peak T1, Peak T2和Peak B的荧光强度大。EEM在淡水中的应用主要集中在污水对于河流、湖泊、库区水体的污染状况分析,以及在河口三角洲地区用于追溯DOM的来源。

一般河流中类腐殖质荧光显著大于类蛋白荧光,当类蛋白荧光较强,类蛋白和类腐殖质荧光强度的比值r(类蛋白/类腐殖质)较大时,表明河流水质受到外源污染[26]。r值可用于初步判断DOM的来源,水体未受污染时r值较小,而受污染的河流r则较大[27]。比较水体中DOM的三维荧光图谱的变化,可以了解时间和空间的变化对于水体DOM的影响[27-28]。

4 小结

由于DOM的广泛存在,且能参与多种物理化学及生物过程,对水环境质量有重要影响,已成为人们关注的焦点之一。作为一种快速、灵敏而且简单的分析方法,EEM可为水体DOM的表征提供丰富的信息,在水质表征方面已展现出独特的能力,本文重点围绕环境因素对三维荧光测定DOM的影响进行了总结,以期为相关的研究人员提供参考。

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