基于平行因子法分析湖泊沉积物间隙水中DOM的三维荧光光谱

李莹杰，吴易雯，张列宇*，方继敏，吕晶晶，叶宇兵，李曹乐

(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430000； 2.中国环境科学研究院 地下水与环境系统工程创新基地，北京 100012； 3.中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州 450000)

0 引言

溶解性有机物(Dissolved Organic Matter，DOM)是指由一系列结构、大小不同的分子组成且能通过0.45 μm微孔滤膜的有机物的总称[1]，它是水环境中有机物的主要组成部分，并在全球碳循环中起重要作用[2]，对水体的碳、生源要素等的生物地球化学循环具有重要意义.由于其成分复杂，能在分子水平鉴别的DOM成分不到11%[3].在湖泊河流等天然水环境物质的研究中，三维荧光光谱(Excitation-emission matrix，EEM) 技术已成为水体DOM荧光物质特征分析的有效手段[4].但是在使用三维荧光技术分析的过程中，由于DOM中荧光组分光谱之间存在相互干扰和重叠现象，使得DOM组分荧光峰的准确识别和判断出现偏差，从而影响研究的准确性.而平行因子法 (parallel factor method，PARAFAC)可以对DOM荧光物质组分进行有效识别，在三维荧光光谱数据矩阵的解析中发挥了重要作用.本文运用三维荧光光谱技术并结合PARAFAC法，对湖北省内湖泊沉积物间隙水中DOM的荧光光谱数据进行处理分析.

1 实验部分

1.1 样品采集及处理

2014年8—10月，分别在湖北省内31个湖泊的91个沉积物采样点进行采样，采样湖泊分布如图1所示.

图1 采样湖泊分布图Fig. 1 Sampling distribution of lakes

注：1为保安湖，2为豹澥湖，3为策湖，4为赤东湖，5为崇湖，6为大冶湖，7为东西汊湖，8为斧头湖，9为汉阳东湖，10为洪湖，11为后湖，12为花马湖，13为梁子湖，14为龙感湖，15为鲁湖，16为牛浪湖，17为牛山湖，18为三湖，19为三山湖，20为上津湖，21为上涉湖，22太白湖，23为汤逊湖，24为童家湖，25为武湖，26为武山湖，27为西凉湖，28为野潴湖，29为长湖，30为涨渡湖，31为朱婆湖

野外采样采用GPS进行站点定位，使用彼得逊采泥器采集表层沉积物样品.采集完后，将样品装入自封袋并迅速带回实验室，用离心机对样品进行分离，取上层水，用0.45 μm玻璃纤维滤膜进行过滤，储存在4 ℃的冰箱内备用.

1.2 实验仪器及数据预处理

三维荧光光谱采用日立(Hitachi)F-7000荧光光谱分析仪进行测定.激发光源为氙灯.扫描波长范围为：激发波长200～450 nm，步长5 nm；发射波长为280～550nm，步长5 nm.狭缝宽度为5 nm，响应时间设为自动，扫描速度设为2400 nm·min-1，扫描光谱进行仪器自动校正.水样装入1 cm石英荧光样品池中测量.

光谱数据用仪器自带软件Hitachi FL Solutions读取并导出，然后用软件MATLAB2009a，采用Delaunay三角形内插值法，对间隙水的EEM进行去散射和平滑处理[5]，随后用MATLAB.2009a软件处理并结合平行因子法对三维荧光光谱进行分析[6].采用SPSS19.0和origin7.5进行图形的处理和分析.

1.3 平行因子法

平行因子法是基于三线分解理论采用交替最小二乘算法实现的一种数学模型[7]，可用PARAFAC法实现样品中DOM荧光物质的“数学分离”.测量得到的荧光光谱数据可组成一个I×J×K的矩阵，其中I为样品数目，J，K分别为样品的发射波长和激发波长的数目.用平行因子法将其分解为得分矩阵A和负载矩阵B和C，分解模型表示为：

j=1，2，…，J；k=1，2，…，K.

(1)

其中：xijk为第i个样品、发射波长为j、激发波长为k处的荧光强度值；ain，bjn和ckn分别为负载矩阵A，B，C中的元素；eijk为残差矩阵E(I×J×K)的组成元素；N为负载矩阵列数，代表因子数.

2 结果及讨论

2.1 湖泊沉积物间隙水三维荧光光谱特征

图2为4个经过Delaunay三角形内插值法修正过的水样荧光光谱图，激发波长/发射波长范围为200～450 nm/280～550 nm.从图中可以明显地看出，湖泊沉积物间隙水荧光光谱形状及峰位置基本相似，有1个较强的尖峰，沿高激发区和低发射区方向分别有一个较弱的肩峰，较强的尖峰激发/发射波段位于225～270 nm/385～450 nm范围，沿高激发区和低发射区方向的肩峰激发/发射波段分别位于300～345 nm/380～430 nm和220～240 nm/325～370 nm范围.据文献报道[8-9]，较强的尖峰和沿高激发区方向的肩峰为类腐殖质荧光峰，沿低发射区方向的肩峰为类蛋白荧光峰.综合所有样品的三维荧光谱图，可以发现荧光峰的位置存在偏移和重叠现象，图2-d中较强的类腐殖质荧光峰位于235 nm/415 nm，而图2-c中该峰位于245 nm/420 nm，相比之下图2-c较图2-d中该峰的位置出现了“红移”.而在50%以上的采样点光谱图中，类色氨酸荧光峰和类酪氨酸荧光峰并没有明显的区分开，重叠现象明显.如此，使得对DOM组分荧光峰的准确识别和判断出现偏差，从而影响研究的准确性.

图2 间隙水中DOM三维荧光光谱图Fig. 2 3-D fluorescence spectra of DOM in the pore water

2.2 平行因子分析结果

采用平行因子法[10]将样品的DOM荧光光谱分为5个成分，各成分的荧光光谱图和激发/发射剖面轮廓图如图3所示.成分1(Component 1)的荧光光谱中观察到的两个荧光峰的激发/发射波长分别为250 nm/400 nm和319 nm/400 nm，分别对应荧光峰A和C，它们是类富里酸物质[11].成分2(Component 2)中荧光峰的激发/发射波长分别位于265 nm/458 nm和360 nm/458 nm处，分别对应荧光峰E和D，它们源自于类胡敏酸物质[12].成分3(Component 3)中荧光峰的激发/发射波长分别位于235 nm/340 nm和280 nm/340 nm处，分别对应荧光峰T2和T1，它们是类蛋白物质，T2为低激发区类色氨酸，T1为高激发区类色氨酸[13].成分4(Component 4)中荧光峰的激发/发射波长位于230 nm/400nm处，对应的是荧光峰C’，为类富里酸.成分5(Component 5)中荧光峰的激发/发射波长分别位于220 nm/322 nm和270 nm/322 nm处，分别对应荧光峰B2和B1，其中B2为低激发区类酪氨酸，B1为高激发区类酪氨酸，明显看出荧光峰B2的荧光强度大于荧光峰B1.从成分5的荧光光谱图及剖面轮廓图中都可以观察到，荧光峰B2并不尖锐，其荧光峰向高发射波长方向有明显的延伸.最新研究报道[14]，溶解性有机物中的类蛋白物质和类胡敏酸的荧光峰之间存在重叠行为，这与这两个成分间的相互作用有关，而在这一相互作用中类酪氨酸对类胡敏酸的影响程度大于类色氨酸.因此，成分5中荧光峰B2(低激发区类酪氨酸)的延伸以及荧光峰C’(类富里酸)的异常出现便可以得到解释，有可能是因为荧光峰B2和荧光峰C’之间产生了相互作用，而本该归类于成分1中荧光峰C(类富里酸)的荧光峰C’，因受到类酪氨酸的影响在平行因子分析中以一个单独的成分被分离出来.毕竟类胡敏酸和类富里酸具有同源性.而从成分间相对含量的相关系数可以看出，成分4和成分5存在显著的相关性(r=0.442，p=0.013<0.05)，间接说明类蛋白物质和类富里酸之间存在相互影响作用.

图3 平行因子模型得到的五成分荧光光谱图和激发/发射剖面轮廓图Fig. 3 Fluorescence spectra and excitation/emission profiles of five componentsfrom parallel factor method

2.3 荧光组分的相对含量

从平行因子的结果中，可以得到5种成分的相对含量，图4所示的即是这5种荧光成分的相对含量百分比.

图4 荧光成分的相对含量百分比Fig. 4 The relative content percentage of fluorescent composition

在所研究的31个湖泊中，有21个湖泊沉积物间隙水含有5中荧光成分，观察这些湖泊的荧光光谱图，它们都有一个共同的特征，由于类蛋白物质和类富里酸的相互作用，出现了一个沿低发射区方向延伸的类蛋白荧光肩峰，这一类的光谱图类似于图2-c和图2-d.在其余的10个湖泊中，沉积物间隙水中至少有C1、C2和C3，只含有C4和C5其中的一个或两个的都没有，而这些湖泊的荧光光谱中，沿低发射区方向延伸的类蛋白荧光肩峰不明显或不存在，这一类的光谱图类似于图2 2-b和图2-a.以上现象也验证了类酪氨酸和类富里酸之间确实存在相互作用，使得平行因子分析结果中类蛋白成分的荧光峰有延伸.

这5种成分中，C1、C2和C4属于腐殖质， C3和C5属于类蛋白.腐殖质相对含量在50.505%～83.477%之间，类蛋白相对含量在16.523%～49.495%之间，腐殖质的含量远远高于类蛋白，说明腐殖质是所研究浅水湖泊沉积物间隙水DOM中的主要成分.在腐殖质中，类富里酸的含量普遍高于类胡敏酸，而且类富里酸的含量又大多高于类蛋白，说明类富里酸在所研究湖泊间隙水中是比较活跃的有机酸.这与易文利等人[15]的研究一致.类富里酸物质主要来源于外源输入[16]，本实验中31个湖泊沉积物中类富里酸成分含量普遍较高，说明湖北省内湖泊受到外源污染影响较为严重.而湖北省内湖泊的外源污染来源主要为工业污染、农业面源污染(大量使用农药、化肥及规模化养殖产生了大量的污水)、大量生活污水以及雨冲刷污水等[17]，这反映出对于当前的污染控制管理力度仍需加强.

2.4 荧光组分聚类分析

湖北省位于中国中部地区，境内主要河流为长江、汉江干流，省内湖泊众多，主要分布在江汉平原上.从图1中可以看到，采样湖泊大多数分布在长江和汉江干流交汇处及其周边.根据平行因子分析的结果，以荧光光谱中各成分的相对含量为变量进行聚类分析，得到样品DOM荧光组分聚类结果，如图5所示.

图5 湖泊沉积物间隙水DOM荧光组分聚类分析Fig. 5 Clustering analysis for fluorescence components of DOM

从整体来看，采样湖泊之间的距离均在5之内，说明荧光组分差别不大.因为在31个湖泊中有21个湖泊的DOM荧光光谱均含有以上5个成分，其余10个湖泊中只有少数几个含有3个成分.从局部来看，长江干流上的策湖和花马湖、汉江干流上的后湖和童家湖分别为相邻湖泊，且分别在同一类湖泊中；长江干流上的上津湖和龙感湖分别位于湖北省与湖南省和安徽省交界的地方，在同一类湖泊中；属于汉江流域的东西汊湖、汉阳东湖、武湖和野潴湖在同一类湖泊中；而汉江干流上的东西汊湖和长江干流上的牛浪湖较为相似，在同一类湖泊中.从以上所举例子可以看出，采样湖泊沉积物间隙水中的DOM荧光成分组成并没有明显的流域差异性，这种差异性只是小范围的.因为，一方面所研究湖泊沉积物pH范围在6.75～7.44之间(未发表数据)，均呈弱碱性，且这些湖泊都为浅水湖，湖体内部环境相似；另一方面所采样湖泊分布较为集中，主要分布在武汉市内汉江和长江交汇处，其余少量分布在湖北省境内长江途径的几个市内，这些地区沿江人口密集，经济较为发达，工业园区密布，且沿湖有围垦造田[18]，大量的工、农业及生活污水排放进入湖体，这些人为干扰因素使得湖体中有机质成分并不稳定.

3 结论

对湖北省内采样湖泊沉积物间隙水DOM的三维荧光光谱特征进行分析，由于存在荧光峰的重叠和偏移的现象，不能准确识别和判断DOM中所含的荧光组分.采用平行因子法，将样品中DOM的荧光光谱分成了5个独立的荧光成分，它们主要为两个类富里酸成分以及类胡敏酸、类色氨酸和类酪氨酸，此方法有效地识别了样品中所含的DOM组分数及组分类型.荧光成分相对含量分析中，主要来源于外源输入的类富里酸总含量高于类胡敏酸和类蛋白，成为所研究湖泊沉积物中较为活跃的有机酸，间接说明这些湖泊受外源污染较为严重.根据平行因子分析的结果，以荧光光谱中各因子的相对含量为变量对荧光组分进行聚类，发现所采样湖泊沉积物间隙水中的DOM组分差别不明显，只存在小范围的流域差异性.