三维荧光光谱区域积分法解析辽河七星湿地水体DOM组成及来源

隋志男，郅二铨，姚　杰，于会彬，宋永会*，李　辉.沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁沈阳042 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京0002 3.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京0002

三维荧光光谱区域积分法解析辽河七星湿地水体DOM组成及来源

隋志男1，2，3，郅二铨2，3，姚杰2，3，于会彬2，3，宋永会2，3*，李辉1
1.沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁沈阳110142 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京100012 3.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京100012

监测了七星湿地水体水质，采用三维荧光光谱技术结合荧光区域积分（FRI）分析法研究七星湿地水体中溶解性有机物（DOM）荧光特性，分析了DOM组成、腐殖化程度、污染来源等与其他水质指标之间的相关性。结果表明，七星湿地对于支流水体有一定的净化作用，出水CODCr满足GB 3838—2002的Ⅴ类水质标准，氨氮及总磷仍然是水体中的主要污染物；荧光指数（f450/500）平均值为1.82，表明七星湿地DOM主要是生物来源；腐殖化指数（rB，D）整体较低，表明湿地水体腐殖化程度较高，有机物污染较为严重。通过荧光区域积分法将荧光光谱图划分为五大类，其中芳香性蛋白类物质Ⅱ相对浓度最高，占DOM总量的37.51%～54.2%，其主要与生活污水排放有关；DOC浓度与芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ、溶解性微生物代谢产物及腐殖质类物质有较高相关性；TP浓度则与芳香蛋白类物质Ⅱ呈显著正相关，与富里酸类物质和腐殖酸类物质显著相关。三维荧光光谱区域积分法可用于水体中DOM组成及污染物来源研究。

七星湿地；DOM；三维荧光光谱；区域积分；污染来源

隋志男，郅二铨，姚杰，等.三维荧光光谱区域积分法解析辽河七星湿地水体DOM组成及来源［J］.环境工程技术学报，2015，5（2）：114-120.

SUI Z N，ZHI E Q，YAO J，et al.Characterization of DOM composition and origin using three-dimensional fluorescence spectroscopy coupled with region integration method in Qixing wetland［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（2）：114-120.

溶解性有机物（dissolved organic matter，DOM）是指存在于各类水体中（海洋、河流、湖泊、地下水、雨水）可以通过0.45 μm滤膜的天然有机质混合体，由于来源不同使其形成过程较为复杂多变，但其组分主要包括腐殖酸、富里酸，以及各种亲水性有机酸、氨基酸等［1-2］。DOM在水生态系统中具有极其重要的作用，其不仅是物质能量和营养组分循环的重要途径，且在调节水生态系统的pH、碱度及电荷平衡等方面也有重要影响［3-5］。因此，DOM在水体中的分布和组成已成为当前国际环境科学领域的研究热点之一。

荧光性质是河流中DOM最重要的光学性质之一，其荧光性质改变表明其化学组成也相应地发生了变化。三维荧光光谱能够对多组分复杂体系中荧光光谱（发射波长/激发波长，Em/Ex）重叠的对象进行光谱识别和解析表征［6-8］，并且具有测定迅速、高灵敏度、高选择性、高信息量、且不易破坏样品结构等优点［9］，其适用于对水质的实时在线监测［10］，可以更加准确及时地跟踪研究DOM在水环境中的来源变化［11］。通过对荧光光谱图进行分析，根据谱图中荧光峰的强度、位置以及个数的变化，可以初步判断水体中DOM的分布、组成和来源的变化。荧光区域积分（fluorescence regional integration，FRI）是另一种荧光光谱解析方法［12］，可对多组分体系中荧光光谱的重叠对象进行光谱识别和表征，在一定程度上能够克服传统三维荧光光度法中寻峰法的某些不足［13-14］。到20世纪末，三维荧光技术已大量应用于河流、海洋等不同来源DOM的研究中。

笔者以辽河保护区七星湿地水样中的DOM为研究对象，采用三维荧光光谱法对各采样点处DOM的荧光性质进行测定和分析，再结合荧光区域积分法，提取有效的荧光光谱特征，分析七星湿地中DOM的主要组成及来源分布情况，探讨三维荧光光谱法用于湿地中的DOM定量和组成上的可行性，以期为监控和治理水体污染以及管理河口湿地提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区域与采样点设置

辽河流域地处辽宁省轴线位置，连接沿海经济带、沈阳经济区和辽西北经济区三大板块，是国家振兴东北老工业基地的核心［15］，该区域人口稠密，水环境污染严重。经过各方不懈努力，辽河干流工业点源污染已经基本消除，干流水质得到显著改善，但是辽河支流污染形势依然严峻，已成为干流污染物的主要来源之一。

湿地作为陆地和开阔水体间的过渡地带，是多种运动形态及物质体系的交汇场所，也是地球上能量交换、物质迁移非常活跃的一个地带［16］。七星湿地位于辽河保护区中部，是典型的支流河口湿地，用于阻控西小河、万泉河、羊肠河及长河等4条支流中的污染物，净化支流来水，减轻辽河干流污染负荷。该区域年平均气温7.5℃，年降水量672.9 mm，降水多集中在7—8月。植被类型以水生植被及沼泽植被为主。水生植被以芦苇、香蒲、茭草等挺水植被为主；沼泽植被以莲、菱、萍蓬莲、黑藻等为主。万泉河与长河主要接纳沿途城镇生活污水及部分工业废水，而西小河与羊肠河接纳的污染物相对较少。七星湿地区域内有2座钢板闸拦蓄河水，水体经由1座溢流坝进入辽河干流。七星湿地面积达6.7× 106m2，水深1.5 m，蓄水量为1.0×107m3。

于2014年4月对七星湿地进行采样，共布设西小河、万泉河、羊肠河、1号闸、长河、2号闸、七星湿地出口7个采样点（图1）。

图1　七星湿地采样点布设Fig.1The sample sites of Qixing wetland

1.2样品采集与分析

使用水样采集器对表层水样（0～15 cm）进行采集，混合均匀后倒入250 mL玻璃采样瓶（经10%硝酸浸泡，并用超纯水清洗）。利用320D-02A型便携式水质测定仪（美国奥利龙公司）对水温、pH和溶解氧（DO）浓度进行现场测定。样品置于低温保温箱内保存并运回实验室，迅速分析水体的CODCr、NH+4-N浓度及TP浓度。各项指标的分析依照《水和废水监测分析方法》［17］中的测定方法进行。水体水质标准参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》。对采集的水样进行抽滤（0.45 μm滤膜），滤液中的有机物即为DOM。DOC浓度采用Multi N/C2100型TOC仪（德国耶拿公司）进行测定。

采用Hitachi F-7000荧光分光光度计（日本日立公司）对水样DOM进行三维荧光光谱扫描。参数设定：Ex为200～450 nm，Em为260～550 nm；狭缝宽带的Ex为5 nm，Em为5 nm；PMT电压为700 V；扫描速度为2 400 nm/min。

1.3三维荧光数据分析方法

在对三维荧光光谱进行解析前，先将瑞利散射上方的光谱数据置零，以消除瑞利散射的影响；再以超纯水（Milli-Q）做空白，将样品的扫描数据结果减去超纯水的三维荧光光谱数据，以去除拉曼散射的影响［18］，从而提高荧光光谱解析效率。最后采用区域积分法对三维荧光光谱进行定量分析［12］。

FRI方法首先将三维荧光光谱区域划分为5个部分：区域Ⅰ的Ex/Em为（220～250）/（280～330）；区域Ⅱ的Ex/Em为（220～250）/（330～380）；区域Ⅲ的Ex/Em为（220～250）/（380～500）；区域Ⅳ的Ex/ Em为（250～280）/（280～380）；区域Ⅴ的Ex/Em为（250～400）/（380～500）。这5个区域分别代表5种不同类型的有机物，依次为芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ、富里酸类物质、溶解性微生物代谢产物以及腐殖酸类物质［12，18］。用OriginPro 8.5软件计算出特定的荧光区域积分体积（Φi），Φi表示具有相似性质有机物的累积荧光强度；再对Φi进行标准化分析，得到某一荧光区域积分标准体积（Φi，n）；最后计算出某一荧光区域的特定结构有机物的积分占总积分的比例（Pi，n）［19］。

利用荧光指数（f450/500）分析和表征DOM的来源。f450/500定义为激发波长为370 nm时，荧光发射光谱强度在450与500 nm处的比值［20-21］。在三维荧光光谱分析中，当富里酸荧光强度与腐殖酸类物质荧光强度的比值（腐殖化指数，rB，D）越大，表明DOM的腐殖化程度越低，因此rB，D可以用来表征有机质结构与成熟度［22］。

2　结果与讨论

2.1水体常规指标分析

七星湿地水体水质见表1。DO浓度反映了水体受污染程度，DO浓度越低，说明污染越严重；但DO浓度与水温也有一定的关系，当水温较低时，DO浓度相对较高。由于采样时间是在春天，水温依然较低（16.66±1.60）°C，所以水体中的DO浓度相对较高（10.35±2.94）mg/L。水体pH为8.72± 0.50，呈弱碱性。7个采样点处水体的CODCr相差较大，跨度为3.40～47.39 mg/L。西小河、羊肠河、1号闸和长河的CODCr较低，达到Ⅳ类水质标准以上，而万泉河、2号闸和七星湿地出口处的CODCr较高，接近或超过了Ⅴ类水质标准（CODCr≤40 mg/L），表明万泉河、2号闸及七星湿地出口处的水体可能受到周边污水排放的影响，致使水体CODCr较高，水体污染较重。除万泉河水体中氨氮浓度符合Ⅲ类水质标准外，其他采样点处的氨氮浓度都达到了劣Ⅴ类，2号闸处的氨氮浓度达到22.52 mg/L，超标10倍以上，表明水体中氨氮污染较为严重。经过湿地净化后，在湿地出口处氨氮浓度为11.50 mg/L，依然超出Ⅴ类水质标准近6倍。各采样点处水体的总磷浓度也普遍偏高，除羊肠河外其余采样点都超过了Ⅴ类水质标准。西小河氨氮和总磷污染严重，万泉河主要是CODCr和总磷污染，羊肠河氨氮浓度相对较高，长河主要是氨氮和总磷污染，其原因可能是支流周围的生活污水、畜禽养殖废水及含磷工业废水未经处理直接排放到水体中造成的。分析结果表明，七星湿地对支流来水有一定的净化作用，出口处CODCr满足Ⅴ类水质标准，但是氨氮和总磷的浓度分别超标5倍和3倍，表明氨氮和总磷仍然是水体中主要的污染物，水体污染状况依然比较严重。

表1　七星湿地水体理化性质Table 1Physical and chemical properties of Qixing wetland water

图2　三维荧光光谱图Fig.2Three-dimensional fluorescence spectra

2.2三维荧光光谱分析

图2为7个采样点水体中DOM的三维荧光光谱图。从图2可以看出，各采样点处的荧光光谱图基本能分辨出4个荧光峰（A、B、C、D），其中峰A和B属于低激发波长色氨酸类物质和富里酸类物质，峰C和D属于溶解性代谢产物和腐殖酸类物质［18］。7个采样点峰A处的荧光强度都极高，主要是由于受到周围工农业废水及生活污水污染的影响致使水体中的类蛋白类物质浓度较大。大多数紫外区的峰B要强于可见区的峰D，有的地区峰D非常弱，即所代表的腐殖酸类物质在水体中的浓度较低。富里酸和腐殖酸类物质主要与水中植物的腐烂程度和降解产物有关。而峰C反映的是浮游植物生长过程中微生物代谢产物的荧光产生，如蛋白、辅酶、小分子有机酸、色素等［23］。7个采样点总体上荧光图谱中类蛋白荧光峰和溶解性代谢产物荧光峰较为明显，说明受水体内部微生物活动的影响，七星湿地中DOM的来源主要以生物来源为主，微生物所产生的有机质浓度较大。

表2为f450/500和rB，D的计算结果。研究表明，生物来源DOM和陆源DOM的2个端源f450/500分别为1.9和1.4［20］。从表2可知，七星湿地水体中f450/500为1.77～1.89，平均值为1.82，说明其DOM主要是生物来源，可能是因为周边生活污水和农业废水的排放，导致其水体中的微生物较为活跃，新陈代谢较为旺盛。7个采样点处水体的rB，D为1.47～1.66，平均值为1.56，表明腐殖化程度整体较高，DOM的结构较复杂，分子量较大。由于rB，D发生变化，说明水体中至少有2种不同类型的富里酸荧光物质［7］。在2号闸处水体的rB，D最大，说明其水体腐殖化程度最低，腐殖酸浓度最少。而其他采样点处水体的rB，D变化范围较窄，表明水体受污染程度差别不大［24］。

表2　DOM的f450/500和rB，DTable 2f450/500and rB，Dof DOM

2.3FRI分析

通过FRI计算得到了7个采样点5个区域的积分标准体积（表3）。从表3可以看出，5个积分区域代表的有机物相对浓度。由于受到湿地周围生活污水、农业废水及部分工业用水排放的影响，水体中的芳香性蛋白类物质，尤其是区域Ⅱ所代表的主要污染物（蛋白类物质），其积分标准体积平均为892 470.5 au·nm2，占水体有机物总量的37.51%～54.20%；其次受周围污水处理厂尾水排放的影响，引起水体中的微生物降解产生某些特定的蛋白类物质，致使水样中溶解性代谢产物（区域Ⅳ）的浓度也较高，其积分标准体积为（412 758.6±102 120.7）au·nm2，占水体中有机物总量的16.96%～26.75%；此外，水体中富里酸类物质也占有一定的比例，而腐殖酸类物质的浓度极低，所占比例基本低于2%。

表3　5个区域的积分标准体积Table 3The standard integration volume of five regions

图3　有机物分布情况Fig.3The distribution of organic matter

从图3可以看出，各采样点处有机物的分布情况及相对浓度。由于湿地生态结构的特性使其水体的自净能力较强，有机物的浓度相对较为稳定，在各区域所占比例变化不大。水体中芳香性类蛋白物质的浓度较大，尤其是区域Ⅱ所代表的色氨酸类物质。色氨酸的产生主要来源于多环芳烃或其相关物质及其加工过程中产生的副产物，表明水体在一定程度上受到了周围工厂生产废水的污染。

2.4相关性分析

将五大类有机物的荧光区域积分标准体积、f450/500和rB，D分别与温度、DO浓度、pH、CODCr、NH4+-N浓度、DOC浓度和TP浓度等进行相关性分析（表4）。TP浓度和DOC浓度与五大类有机物有着不同程度的相关性。其中，DOC浓度与芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和溶解性微生物代谢产物及腐殖质类物质均有较高的相关性；TP浓度则与芳香蛋白类物质Ⅱ呈显著正相关，与富里酸类物质和腐殖酸类物质显著相关。分析表明，用水体中DOM的荧光指数变化情况可以反映TP浓度和DOC浓度等，从而反映出相应的水质情况，可作为水质监测的一种简单快捷的方法。

表4　水质与光谱参数的相关性系数Table 4The correlation coefficient of water quality and spectral parameters

3　结论

（1）七星湿地对支流来水中的污染物有一定的净化作用，氨氮及总磷仍然是水体中的主要污染物。

（2）七星湿地中溶解性有机物（DOM）由芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ、富里酸类物质、溶解性微生物代谢产物以及腐殖酸类物质等五大类组成。七星湿地水体中的DOM以芳香性蛋白类物质为主，且主要来自于生物源，这与生活污水的排放有关，七星湿地水体整体腐殖化程度较高。

（3）三维荧光光谱与荧光区域积分（FRI）联用能很好地反映出七星湿地水体中有机污染物的种类、污染来源等变化，其灵敏度高、测定较为简便。

（4）DOC浓度与芳香蛋白类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ和溶解性微生物代谢产物及腐殖质类物质有较高的相关性。TP浓度则与芳香蛋白类物质Ⅱ呈显著正相关，与富里酸类物质和腐殖酸类物质显著相关。可以利用三维荧光光谱技术结合荧光区域积分法有效地表征水体中DOC浓度和TP浓度的变化。

［1］LEENHEER J A，CROUÉ J P.Peer reviewed：characterizing aquatic dissolved organic matter［J］.Environmental Science& Technology，2003，37（1）：18-26.

［2］吴静，崔硕，谢超波，等.好氧处理后城市污水荧光指纹的变化［J］.光谱学与光谱分析，2011，31（12）：3302-3306.

［3］ISHII S K L，BOYER T H.Behavior of reoccurring PARAFAC components in fluorescent dissolved organic matter in natural and engineered systems：a critical review［J］.Environmental Science &Technology，2012，46（4）：2006-2017.

［4］YAMAMOTO H，LILJESTRAND H M，SHIMIZU Y，et al.Effects of physical-chemical characteristics on the sorption of selected endocrine disruptors by dissolved organic matter surrogates［J］. EnvironmentalScience&Technology，2003，37（12）：2646-2657.

［5］郅二铨，宋永会，段亮，等.辽河保护区七星湿地水体溶解性有机物紫外吸收光谱研究［J］.环境工程技术学报，2014，4（1）：35-39.

［6］AHN W Y，KANG M S，YIM S K，et al.Advanced landfill leachate treatment using an integrated membrane process［J］. Desalination，2002，149（1）：109-114.

［7］COBLE P G.Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy［J］.Marine Chemistry，1996，51（4）：325-346.

［8］YU H，SONG Y，LIU R，et al.Identifying changes in dissolved organic mattercontentandcharacteristicsbyfluorescence spectroscopy coupled with self-organizing map and classification and regression tree analysis during wastewater treatment［J］. Chemosphere，2014，113：79-86.

［9］ALBERTS J J，TAKÁCS M.Total luminescence spectra of IHSS standard and reference fulvic acids，humic acids and natural organic matter：comparison of aquatic and terrestrial source terms［J］.Organic Geochemistry，2004，35（3）：243-256.

［10］YU H，SONG Y，TU X，et al.Assessing removal efficiency of dissolvedorganicmatterinwastewatertreatmentusing fluorescence excitation emission matrices with parallel factor analysis and second derivative synchronous fluorescence［J］. Bioresource Technology，2013，144：595-601.

［11］王志刚，刘文清，张玉钧，等.不同来源水体有机综合污染指标的三维荧光光谱法与传统方法测量的对比研究［J］.光谱学与光谱分析，2008，27（12）：2514-2517.

［12］CHENW，WESTERHOFFP，LEENHEERJA，etal. Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter［J］.Environmental Science&Technology，2003，37（24）：5701-5710.

［13］姚璐璐，涂响，于会彬，等.三维荧光区域积分评估城市污水中溶解性有机物去除［J］.环境工程学报，2013，7（2）：411-416.

［14］ROSARIO-ORTIZFL，SNYDERSA，SUFFETIH. Characterization of dissolved organic matter in drinking water sources impacted by multiple tributaries［J］.Water Research，2007，41（18）：4115-4128.

［15］李忠国.稳河势、保水质、促生态：辽河保护区生态治理实践［J］.环境工程技术学报，2013，3（6）：465-471.

［16］徐微雪，段亮，宋永会，等.辽河保护区七星湿地表层水与间隙水中氮的时空分布［J］.环境工程技术学报，2014，4（1）：40-45.

［17］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

［18］高连敬，杜尔登，崔旭峰，等.三维荧光结合荧光区域积分法评估净水厂有机物去除效果［J］.给水排水，2012，38（10）：51-56.

［19］YUGH，WUMJ，LUOYH，etal.Fluorescence excitationemission spectroscopy with regional integration analysis for assessment of compost maturity［J］.Waste Management，2011，31（8）：1729-1736.

［20］MCKNIGHT D M，BOYER E W，WESTERHOFF P K，et al. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity［J］. Limnology and Oceanography，2001，46（1）：38-48.

［21］YLLA I，ROMANI A M，SABATER S.Labile and recalcitrant organic matter utilization by river biofilm under increasing water temperature［J］.Microbial Ecology，2012，64（3）：593-604.

［22］PATEL-SORRENTINO N，MOUNIER S，BENAIM J.Excitationemission fluorescence matrix to study pH influence on organic matter fluorescence in the Amazon basin rivers［J］.Water Research，2002，36（10）：2571-2581.

［23］任保卫，赵卫红，王江涛，等.胶州湾围隔实验中溶解有机物三维荧光特征［J］.环境科学，2007，28（4）：712-718.

［24］HE X S，XI B D，WEI Z M，et al.Fluorescence excitationemission matrix spectroscopy with regional integration analysis for characterizing composition and transformation of dissolved organic matter in landfill leachates［J］.Journal of Hazardous Materials，2011，190（1/2/3）：293-299.○

Characterization of DOM Composition and Origin Using Three-dimensional Fluorescence Spectroscopy Coupled with Region Integration Method in Qixing Wetland

SUI Zhi-nan1，2，3，ZHI Er-quan2，3，YAO Jie2，3，YU Hui-bin2，3，SONG Yong-hui2，3，LI Hui1
1.Institute of Environmental and Safety Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China3.Department of Urban Water Environmental Research，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Based on the monitoring of water quality of Qixing wetland，the three-dimensional fluorescence spectroscopy combined with fluorescence regional integral（FRI）analysis were used to analyze the fluorescence characteristics of the dissolved organic matter（DOM）in the water body of Qixing wetland.The correlation of the DOM composition，humification degree and polluting sources and other water quality parameters were explored.The results showed that the Qixing wetland could purify pollutants from tributaries.The CODCrconcentration in the effluent of the wetland met grade V standard（GB 3838-2002），and ammonia nitrogen and total phosphorus werestill the main pollutants in the water.The mean value of fluorescence index（f450/500）was 1.82，indicating biological origin of the DOM.Humification index（rB，D）is overall low，indicating higher humification degree of wetland water and more serious organic pollution.The fluorescence spectra were divided into five components by fluorescence regional integration method.Aromatic protein II was the largest content which accounted for 37.51%-54.2%of total DOM and mainly related to sewage discharge.DOC significantly correlated with aromatic protein I，II，soluble microbial metabolites and humic substances.TP had significant correlation with aromatic protein substances II，fulvic acids and humic substances.Thus，three-dimensional fluorescence spectroscopy coupled with region integral method can be used in the research of water DOM composition and sources of contaminants.

Qixing wetland；DOM；three-dimensional fluorescence spectroscopy；fluorescence regional integration；pollutants sources

X502

1674-991X（2015）02-0114-07doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.017

2014-11-04

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07202-004-03，2012ZX07202-005）

隋志男（1988—），女，硕士研究生，956534741@qq.com

*责任作者：宋永会（1967—），男，研究员，博士，长期从事水污染控制技术研究，songyh@craes.org.cn