应用SFS与FTIR二维相关光谱研究水体中DOM组成结构及空间分异特征

李崇蔚， 于会彬， 杨 芳， 郭旭晶， 高红杰， 白 杨

1. 成都信息工程大学资源环境学院， 四川 成都 610225 2. 中国环境科学研究院流域水环境污染综合治理研究中心， 北京 100012

引 言

溶解性有机质(dissolved organic matter， DOM)是指能通过0.45 μm孔径滤膜， 由羟基、 醛基、 羧基、 氨基及羰基等多种活性官能团组成的异质混合物[1]。 DOM在水生态环境中有着重要作用， 不仅能与金属离子络合进而影响物质的生物有效性， 而且是重金属、 多环芳烃、 营养盐等物质迁移转化的重要载体[2]。 天然水体中DOM主要来源于陆源和内源， 组成结构与地理空间分布及来源密切相关[3]。 研究DOM组分结构的时空变化规律， 是揭示DOM迁移转化与演变的关键。

目前， 主要应用紫外-可见、 荧光、 傅里叶变换红外(Fourier transform infrared, FTIR)、 核磁共振等光谱技术[4]， 研究水体中DOM组成结构、 腐殖化程度及来源转化等。 荧光光谱包括与发射/激发光谱、 同步荧光光谱(synchronized fluorescence spectra, SFS)和三维光谱， 其中SFS可以提供特征峰和肩峰以及更多有关DOM组成结构的信息[5]。 FTIR是一种研究化合物中官能团和极性键振动结构的分析技术， 有取样少、 简洁迅速、 准确等特点， 可以分析有机物的组成结构及官能团种类[6]。 由于DOM是一种复杂的有机混合物， 具有很高的异质性， 其光谱极易出现高度重叠谱带， 而传统的“识峰”技术只能辨识DOM的部分组成结构信息[7]。 二维相关光谱(two-dimensional correlation spectroscopy, 2D-COS)是将外部扰动(如时间、 浓度、 温度等)产生的动态光谱扩展到两个维度， 具有扩展分离重叠峰(提高分辨率)、 判断不同组分的变化顺序等特征。 此外， 应用2D-COS异谱相关(将两种不同类型的光谱整合成为一种光谱)， 研究不同波段之间的相关性， 进而可以对扰动引起的结构变化给出互补关系[8]。 因此， 2D-COS被广泛应用到水环境有机质组成结构及迁移转化的研究中。

选取我国最大的农田退水湖泊——乌梁素海作为研究对象， 应用SFS， FTIR与2D-COS方法， 分析水体中DOM组成结构特征， 辨析DOM组分及官能团之间的协变性， 揭示其空间分异规律。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市境内， 北靠阴山， 南抵黄河， 西接河套灌区， 东临乌拉山； 位于40°36′N—41°03′N和108°43′E—108°57′E之间， 是我国八大淡水湖之一， 是地球同一纬度最大的湿地[9]。 乌梁素海面积293 km2， 容量为2.5×109～3.0×109m3， 接纳河套灌区90%以上的农田排水。 所在区域为温带大陆性气候， 多年平均气温为7.3 ℃， 年均降水量为224 mm， 蒸发量为1 502 mm。 近年来巴彦淖尔市工业化、 城镇化进程加快， 处理与未处理的大量工业废水与城镇生活污水进入湖泊， 导致湖泊水质下降， 加剧了湖泊富营养化[10]。

1.2 样品采集

基于乌梁素海的排干分布、 湖泊面积、 水文条件、 航道分布、 芦苇等挺水植被分布状况及水流方向(自北向南)， 在2018年9月， 采集9个水样(图1)。 其中， 1—3号点在北部水域， 是自然保护区的核心区； 4—6号点在中部水域， 是自然保护区的缓冲区； 7—9号点在南部水域， 是自然保护区的实验区。 使用分层采水器采集水面下0.5 m深处的水样， 分别装入500 mL聚乙烯塑料瓶中， 水样采集后马上用0.45 μm的醋酸纤维素滤膜进行过滤， 滤液中的有机物即为DOM， 带回实验室放置于0～4℃冰箱中保存。

图1 乌梁素海采样点分布图

1.3 SFS和FTIR测定

SFS测定： 保持温度恒定[恒温水浴(20±1) ℃]， 以Milli-Q超纯水做空白。 使用高灵敏度荧光光谱分析仪(Hitachi F-7000， Japan)测定样品DOM的同步荧光光谱[11]， 测定波长差Δλ=55 nm， 激发波长间隔为5 nm， 扫描范围为260～550 nm， 扫描速度为240 nm·min-1。 此外， 从每个荧光区推导出SFS面积， 它们具有相同的单位(拉曼单位)， 可以解释同源成分的相对丰度[12]。

FTIR测定： 对样品先进行冷冻干燥， 将所得固体粉末以质量比1∶200与KBr(光谱纯)混合均匀， 于50～100 MPa下压片测红外光谱。 采用Perkin Elmer FTIR(Spectrum 100 NTSS)进行样品测量， 波数范围为4 000～400 cm-1， 分辨率4 cm-1， 扫描次数16次[6]。 将数据均扣除背景后用Omnic8.0软件处理， 经过基线校正、 平滑处理、 归一化在Origin8.0软件中对其进行光谱图绘制。

1.4 2D-COS

采用2D-shige软件分别对FTIR和SFS一维光谱进行分析， 获取FTIR和SFS的2D-COS谱图， 并且将其整合为2D-COS异谱相关图谱。

2 结果与讨论

2.1 SFS分析

在乌梁素海水体中， 9个采样点的DOM同步荧光光谱图相似(图2)， 有两个明显的尖峰和一个弱肩峰。 位于波长260～300 nm之间的尖峰为类蛋白荧光(PLF)组分[13]， 波长在300～355 nm的尖峰被称为微生物类腐殖质荧光(MHLF)组分[12]， 位于波长355～420 nm间的肩峰则与类富里酸荧光(FLF)组分有关[14]， 位于波长420～500 nm范围内的肩峰与类胡敏酸荧光(HLF)组分有关[12]。

图2 水体中DOM的同步荧光光谱

乌梁素海水体中DOM组分的相对丰度如图3(a)所示。 北部水域总相对丰度的平均值为5 312.56， 中部水域为3 565.69， 南部水域为5 194.73。 其中北部水域的平均PLF和MHLF面积均达到最高分别为1 561.69±114.09， 2 531.36±23.72， 南部水域次之， 中部水域最小； 南部水域的平均FLF面积最高， 为1 256.89±410.86； 三个水域的HLF面积差别不明显。 总体而言， 北部水域污染程度高于南部水域， 中部水域的污染程度较轻。 这可能是由于北部水域靠近总排干， 接纳了大量的农田退水与生活污水， 导致水域污染加剧； 而南部水域水体流动性差， 有机污染物在此积累， 导致该区域污染程度高于中部水域。

每个荧光组分的量可以用面积的百分比(%PLF， %MHLF， %FLF和%HLF)表征[图3(b)]， 在DOM中不同组分的百分含量存在很大的差异。 %PLF变动范围在24.82%～33.93%之间， %MHLF的变动范围为42.44%～48.95%， %FLF的变动范围为15.77%～28.23%。 %HLF相对较小(3.63%～4.66%)， 变动不大。 显然， MHLF为DOM的主要组分， PLF组分次之。 MHLF主要由植物残体腐烂产生的， 而PLF主要存在于生活污水和工业废水中。 因此， 乌梁素海水体中的DOM的来源具有内源和外源的双重特征。

图3 水体中DOM的组分相对丰度及百分比

2.2 2D-SFS-COS分析

北部水体中DOM的2D-SFS-COS由图4(a)和(b)所示， 在谱图(a)中存在1个自峰位于270 nm处， 表明北部水体的DOM中PLF变化较大(在外扰因子水体流动的影响下)。 在谱图(b)中， 可以看到在(270～310 nm)处有1个正交叉峰。 根据Noda法则[15]， 吸收峰的变化顺序为270 nm→310 nm， DOM组分的变动顺序为： PLF→MHLF， 这表明在北部水体流动过程中PLF的变化优先于MHLF。

中部水体中DOM的2D-SFS-COS由图4(c)和(d)所示， 在谱图(c)中存在2个自峰和一个负交叉峰， 自峰位于274和324 nm处， 且324 nm处的荧光强度大于274 nm处的荧光强度， 表明在中部水体的DOM中PLF和MHLF受外扰因子水体流动的影响， 且MHLF变化较大。 交叉峰位于(265～320 nm)处， 表明PLF与MHLF在中部水体中呈相反的变化趋势。 谱图(d)中， 在(275～324 nm)处有1个正交叉峰。 根据Noda法则[15]， 吸收峰的变化顺序为274→324 nm， 这表明在中部水体流动过程中DOM组分的变动顺序为： PLF→MHLF。

图4 乌梁素海水体中DOM的同步-异步二维同步荧光相关光谱

南部水体中DOM的2D-SFS-COS由图4(e)和(f)所示， 谱图(e)中在370 nm处存在一个自峰， 表明在南部水体中FLF变化较大。 谱图(f)中在(280～370 nm)处有一个正交叉峰， 在(335～370 nm)处有一个负交叉峰。 根据Noda法则[15]， 吸收峰的变化顺序为280→370→335 nm， 这表明在南部水体流动过程中DOM组分的变动顺序为： PLF→FLF→MHLF。

2.3 FTIR分析

2.4 2D-COS-FTIR分析

图5 乌梁素海水体中DOM的红外光谱

图6 乌梁素海水体中DOM的同步-异步二维红外相关光谱

2.5 SFS和FTIR的2D-COS异谱相关分析

应用2D-COS异谱相关， 分析三个水域SFS和FTIR的协变性特征(图7)。 在北部水域[图7(a)]， 1 540， 1 450和1 150 cm-1处的FTIR波段与270 nm处的SFS波段呈正相关， 1 140 cm-1处的FTIR波段与270 nm处的同步荧光波段相关性显著， 表明PLF组分与C—O官能团有相同的变化趋势。

图7 水体中DOM的SFS和FTIR的2D-COS异谱相关图

3 结 论

(1)乌梁素海水体中DOM由类蛋白质、 微生物类腐殖质、 类富里酸和类胡敏酸组成， 以微生物类腐殖质为主， 荧光物质相对丰度为北部>南部>中部。

(2)北部和中部水体中主要的变动组分为类蛋白质和微生物类腐殖质， 类蛋白质变动较大且最先变动； 南部水体中主要的变动组分为类蛋白质、 微生物类腐殖质和类富里酸， 其中类富里酸变化较大， 变动顺序为类蛋白质→类富里酸→微生物类腐殖质。