南湖水系表层沉积物有机质的赋存特征、来源及生物有效性

郭云艳，周光鑫，王雅雯，王书航*，郑朔方，姜霞，高建文

1.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，中国环境科学研究院 2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，中国环境科学研究院 3.河北工业大学能源与环境工程学院 4.中交上海航道勘察设计研究院有限公司

有机质的组成、结构及其特性对研究沉积物有机质在水环境中如何参与地球化学循环至关重要。自然界中有机质的组成十分复杂，对其组成和性质的研究主要借助物理、化学分组并结合生物标志物、同位素、光学参数等手段[1-2]。其中，根据有机质的溶解特性使用不同的化学试剂进行分组是最经典的方法，化学试剂可分为四大类，依次是水溶性有机质(WSOM)、富里酸(FA，既溶于酸又溶于碱)、胡敏酸(HA，只溶于碱不溶于酸)和胡敏素(HM，酸碱都不溶)[3-4]，其中，WSOM生物可利用性较好，是近年来的研究热点。

南湖位于嘉兴市中心城区，以南湖为中心，有京杭运河北段及西段、长纤塘、海盐塘、平湖塘、长水塘、新塍塘等主干河道呈辐射状分布，且主河道之间又由环状河道、支流、湖荡连接贯通，因此南湖水系纵横交错、河网密布，是杭嘉湖水网的重要组成部分[5]。随着城市化进程的加快，来自于工业废水、生活污水以及化肥、农药等农业面源污染致使以南湖为中心的水系自净能力降低，水环境质量不断下降。对湖泊沉积物有机质组成特性的表征上，常见的有荧光光谱法、红外-吸收光谱技术、紫外-可见吸收光谱技术、索氏提取技术等。由于每种红外活性的振动都会相应地产生一个吸收峰，因此使用红外-吸收光谱技术来表征有机质的组成结构特征还需进行不断地探索与完善；紫外-可见吸收光谱技术常用于研究具有共轭体系的不饱和有机化合物；索氏提取技术稳定性较差，且不能定性揭示有机质的性质；三维荧光光谱技术具有用量少、灵敏度高和不破坏样品结构的优点，且能够表征和区分沉积物中不同类型的有机质荧光峰，进而可以通过对荧光峰的分析确定沉积物有机质的组成及其含量[6]。故笔者在南湖水系采集表层沉积物，使用连续提取法，通过三维荧光光谱法对南湖水系不同区域WSOM进行深入研究，考察南湖水系表层沉积物层有机质特征和来源及其对水质的影响，以期为南湖水系水质监测及污染预警提供有益的补充和参考。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与处理

嘉兴市位于120°17′E～121°16′E，30°20′N～31°02′N，市境地势低平。属亚热带季风区，气候温和湿润，水系纵横交错、河网密布[5]。根据南湖及周边水体分布特征，于2018年8月在南湖及周边水体设置21个采样点，采集表层(0～10 cm)沉积物样品，采样点分布如图1所示。采集的沉积物样品封装在干净的自封袋中低温保存，尽快运回实验室完成冷冻干燥、研磨过筛(100目)等预处理工作。

图1 南湖水系采样点分布Fig.1 Sampling points of Nanhu Lake water system

1.2 分析方法

1.2.1CN的测定

样品的预处理：称取适量沉积物样品于100 mL离心管内，加入足量的3 molL稀盐酸，充分反应去除碳酸盐，用超纯水洗至中性，冷冻干燥后研磨过100目尼龙筛备用。

取适量用稀盐酸预处理后的沉积物样品，用元素分析仪(Vario-Macro，德国)测定总有机碳(TOC)和总氮(TN)浓度，TOC与TN浓度比值即为CN。沉积物有机质浓度以TOC浓度表示。

1.2.2有机质组分的连续提取

沉积物有机质赋存形态采用连续提取法测定：取1 g沉积物干样，加入50 mL H2O置于25 ℃水浴振荡1 h后，离心，上清液用中速定量滤纸过滤(下同)，得到上清液A为水溶性有机质(WSOM)；用20 mL饱和NaCl清洗残渣A后，再加入50 mL NaOH-Na4P2O7混合溶液，并用0.1 molL HCl调节pH为13，25 ℃振荡1 h后离心、过滤，得到上清液B为酸碱提取态有机质(HE)；残渣B用饱和NaCl清洗后于55 ℃烘干，得到残渣C为胡敏素(HM)。取20 mL HE溶液，用0.5 molL H2SO4调节pH为1.0～1.5，并在60 ℃保持1.5 h，静置8 h后，离心、过滤，得到上清液为富里酸(FA)，沉淀为胡敏酸(HA)。WSOM、FA、HA浓度采用岛津TOC分析仪(TOC-L，CPH)测定，HM浓度采用重铬酸钾氧化滴定法测定[7]。

1.2.3三维荧光光谱扫描及平行因子分析

WSOM提取液的紫外-可见吸收光谱使用紫外-可见分光光度计(D5000，哈希)测定，扫描波长范围为200～800 nm，步长为1 nm，以超纯水为参比。荧光光谱采用日立F7000荧光分析仪进行分析，使用150 W氙灯为激发光源，9PMT电压设为700 V；激发波长(Ex)扫描范围为200～450 nm，发射波长(Em)扫描范围为250～600 nm，激发波长和发射波长增量均设为2 nm，狭缝宽度为10 nm，扫描速率为12 000 nmmin。为保证荧光光谱特性的可比性，所得到的光谱均为扣除超纯水空白后的矫正结果，以减少仪器条件和拉曼散射对荧光光谱的影响。三维荧光数据在进行平行因子分析之前需进行预处理。详细的方法参照文献[8-9]。在MATLAB软件中使用DOM Fluor工具箱运行PARAFAC模型对预处理后的三维荧光数据进行分析，通过核心一致性检测和裂半检测来验证PARAFAC建模的有效性，并确定最优的荧光组分个数[10]。

荧光指数(FI)为激发波长为370 nm时，发射波长在470与520 nm处的强度比值(FI=F470F520)；腐殖化指数(HIX)为通过激发波长为255 nm时，发射波长在436～480 nm的峰值面积与300～344 nm的荧光峰值面积之比[11]。

1.3 数据处理

所有实测指标的分析均做3次平行，试验结果以3次样品分析的平均值表示(误差范围<5%)，相关分析采用皮尔逊(Pearson)相关系数法。采用Excel 2010、Origine 2018、SPSS 20.0和ArcGIS 10.5软件进行数据的统计检验、分析和绘图。

2 结果与讨论

2.1 沉积物有机质赋存特征

南湖水系表层沉积物中有机质的4种赋存形态的浓度及其占比如图2所示。由图2可见，表层沉积物中总有机质浓度为5.96～40.04 gkg，平均值为15.69 gkg，其中最高值出现在新塍塘，最低值出现在长水塘。有机质的4种赋存形态中，WSOM较容易被矿质化和分解，并且其在水-沉积物界面之间存在浓度差，可进行自由扩散[12]，因此通过对WSOM的研究可以探究出溶解性有机质(DOM)的迁移过程及化学特征，从而为研究DOM对水质的影响提供依据。南湖水系表层沉积物中WSOM浓度整体较低，为0.22～1.61 gkg，平均值为0.62 gkg，占总有机质的2.64%～7.40%，平均值为3.97%。沉积物WSOM的空间分布特征与总有机质类似，所有采样点中，新塍塘点位WSOM浓度最高，长水塘WSOM浓度最低。

图2 南湖水系表层沉积物中 有机质4种赋存形态的浓度及其占比Fig.2 Concentrations and proportions of four forms of organic matter in surface sediments of Nanhu Lake water system

酸碱提取态有机质(HE)主要包括富里酸(FA)和胡敏酸(HA)。FA含有大量酚羟基、羰基等基团，既可以溶于酸又可以溶于碱，颜色较浅，呈黄色，迁移能力较强。南湖水系表层沉积物有机质中FA浓度为1.63～19.89 gkg，平均值为5.22 gkg；FA占有机质总量的17.32%～49.67%，平均值为31.29%。表层沉积物FA和总有机质的空间特征相似，均是在新塍塘及周围河网处浓度较高，且在新塍塘处达到峰值(19.89 gkg)，其他地方整体浓度均较低。HA与FA相似的是均可以溶于碱，不同的是HA不能溶于酸，且其颜色较深，大多呈棕色、暗褐色等，移动能力较弱。表层沉积物有机质组分HA浓度为1.28～7.94 gkg，平均值为5.00 gkg；占整个可提取态有机质的12.85%～53.37%，平均值为33.36%。空间上看，南湖水系表层沉积物有机质组分HA浓度分布不均，在南部长水塘处浓度较低，为1.74 gkg，在新塍塘、苏州塘、平湖塘及南湖部分区域处浓度大于6.00 gkg。

稳结合态有机质HM性质极不活泼，是与土壤矿物质结合最紧密的物质，其有着既不溶于酸又不溶于碱的特点，且平均分子质量较大，表现出较难分解的特点。南湖水系表层沉积物有机质中HM浓度为1.35～12.38 gkg，平均值为4.85 gkg；占总有机质的9.80%～66.76%，平均值为31.38%。空间上，除新塍塘、平湖塘、嘉善塘、南湖处HM浓度相对较高外，在南北部浓度均较低。HM的活性相对较低，对污染物的活性和生物有效性的影响是最小的，造成HM浓度空间分布不均的原因可能有多种，如工业废水、生活污水的排放，农业面源污染，外源河流带入等[13]。

2.2 沉积物WSOM的荧光光谱特征

利用平行因子分析法(parallel factor analysis，PARAFAC)对南湖水系表层沉积物中WSOM的三维荧光光谱矩阵数据进行了分析，主要解析出4个荧光组分，各组分的荧光光谱及最大激发波长、发射波长分布如图3所示。

由图3可见，南湖水系表层沉积物共解析出2个类蛋白组分(C1、C4)与2个类腐殖质组分(C2、C3)[14-17]，其中，C1组分在286和234 nm处存在2个明显激发波长，在350 nm处有着最大发射波长，反映的是类蛋白物质的类色氨酸的荧光峰；C4组分在220和274 nm处存在2个明显的激发波长，在308 nm处有着最大发射波长，与低激发光光类酪氨酸相似，C1和C4组分均属于内源类DOM。C2组分在250和322 nm处有着2个最大激发波长，在444 nm处存在最大发射波长，与文献[15]中紫外类富里酸和可见类富里酸类物质波峰相近。C3组分在274和364 nm处有着2个最大激发波长，在486 nm处有着最大发射波长，与文献[16]中长波类腐殖质中的胡敏酸物质波峰相近。

图3 南湖水系表层沉积物中WSOM各荧光组分特征Fig.3 Characteristics of WSOM fluorescence components in surface sediments of Nanhu Lake water system

南湖水系表层沉积物中WSOM各荧光组分的荧光强度及占比如图4所示。由图4可见，表示类色氨酸的C1组分荧光强度为153.04～920.61 R.U.g，平均值为331.22 R.U.g；表示富里酸类的C2荧光强度为125.83～657.91 R.U.g，平均值为207.89 R.U.g；表示类腐殖质的C3荧光强度为99.37～384.79 R.U.g，平均值为150.41 R.U.g；表示类酪氨酸的C4荧光强度为52.31～690.00 R.U.g，平均值为136.58 R.U.g。总荧光强度为473.54～2 117.18 R.U.g，平均为826.11 R.U.g。总体来看，C2、C3的荧光强度均在杭州塘与南湖处呈现较高的数值，且都在南湖18号采样点达到峰值，在其余地方均较低，二者空间分布趋势相似，可以推断出二者的来源有可能相同。C1的荧光强度在新塍塘与南湖较高，在南湖18号采样点达到峰值，在其余地方均较低。C4则与之不同，在平湖塘与嘉善塘及周围河网荧光强度均较高，其他地方明显降低。总荧光强度在南湖、平湖塘与嘉善塘处较高，在南湖处达到峰值。综上，荧光强度低值主要分布在南部和北部，这可能是由于沉水植物的生长对水体起到了净化作用，同时生态修复产生了较好的成效；高值主要分布在南湖、新塍塘、平湖塘与嘉善塘，这可能是由于处于旅游区受到人为因素的影响，且接收了嘉兴市大量的工业废水与生活污水，大量的入湖河流顺流而下也可能造成湖泊沉积物有机质组分丰富。

图4 南湖水系表层沉积物中WSOM 各荧光组分荧光强度及其占比Fig.4 Fluorescence intensities and proportion of WSOM fluorescent components in surface sediments of Nanhu Lake water system

2.3 与其他湖泊的对比

湖泊沉积物有机质主要来源于湖泊水生植物和流域侵蚀带来的陆源植物碎屑。温度和降水是控制植物生长的主要因素，干旱、半干旱地区流域植物的生长主要受降水控制；对湖泊水生植物，湖泊初级生产力主要受湖水营养物质状况和温度控制，如在寒冷的条件下,低温期延长，适宜植物旺盛生长的时间缩短，湖面冰封时间延长导致湖泊水生植物光合速率降低、光合产量降低及有机质生产力降低[18-19]。综上，由于地理位置及环境条件的差异，不同湖泊沉积物中总有机质的浓度不同。

总量上，南湖水系表层沉积物中总有机质的浓度为5.96～40.04 gkg，平均值为15.69 gkg。研究表明[20]，乌梁素海沉积物中总有机质浓度为4.50～22.83 gkg，平均值为11.80 gkg；岱海沉积物中总有机质的浓度为6.84～23.46 gkg，平均值为14.94 gkg；太湖流域沉积物TOC浓度为3.21～44.54 gkg，平均值为14.45 gkg，其中，洮湖最高、滴水湖最低[21]；蠡湖沉积物中有机质浓度为5.59～22.11 gkg，平均值为12.28 gkg[22]，均与本研究结果类似。但在赋存形态上，可提取态有机质(WSOM+FA+HA)中存在多种官能团，能够影响和控制水体中营养盐、重金属和持久性有机污染物的迁移转化，进而影响其毒性和生物可得性。南湖水系表层沉积物中可提取态有机质占总有机质的68.83%，远高于长江中下游其他湖泊[23](表1)，这说明虽然南湖总有机质浓度在长江中下游湖泊中并不高，但其可提取态有机质的占比却是最高的，生物可利用性高是南湖有机质的一大特点。

表1 长江中下游湖泊沉积物中可提取态有机质占比[23]

2.4 有机质来源解析

DOM的来源可以分为陆源与自生源两大类。陆源一般来自土壤中植物的分泌物和动物的排泄物及其残体降解、地表径流和淋溶等，导致陆源DOM中木质素浓度较高；自生源一般来自水生动植物、微生物或藻类等的新陈代谢及其残体降解，氮、磷等营养元素浓度较高[24]，DOM不同的来源和形成条件导致其组成、结构和性质不同。C、N是有机体的重要成分，不同的生物种类的CN也存在差异性，高等植物CN为14～23，水生生物为2.8～3.4。研究表明，CN可用于沉积物污染来源的判断，一般认为CN>10时，沉积物有机质以外源输入(陆源)为主；CN<10时，沉积物有机质以内源(自生源)为主[25-26]。南湖水系表层沉积物中TN浓度为0.82～5.45 gkg，平均值为2.11 gkg；总有机质浓度为8.52～57.20 gkg，平均值为22.41 gkg；CN为6.07～12.08，平均值为7.71。表明南湖水系表层沉积物有机质中内源有机质占主导地位，这与马龙等[18]对张北高原最大的内陆湖泊安固里淖湖的研究结果类似，安固里淖湖CN平均值为8，其总有机质主要来源于内源水生植物。

同时，可以利用WSOM的荧光指数表征溶解性有机质中腐殖质的来源，荧光指数接近或者大于1.9说明主要来源于微生物代谢等过程，接近或者小于1.4说明陆源占主要贡献。南湖水系表层沉积物WSOM荧光指数(FI)为1.54～1.78，平均值为1.60，内源比例为57.34%，说明南湖水系表层沉积物WSOM的来源中自生源占比较大，但同时受到地表径流的等陆源的影响。

2.5 生物可利用性

为研究溶解性有机质的生物可利用性和迁移转化能力，采用HIX来表征有机质腐殖化的程度或成熟度，当HIX小于4时，有色溶解性有机质(CDOM)主要由生物活动产生，腐殖化程度较弱。南湖水系表层沉积物的HIX为1.62～7.76，平均值为3.69，表明南湖水系表层沉积物中CDOM主要来源于生物活动，腐殖化程度较弱，生物可利用性较好[26]。

表2 南湖水系表层沉积物WSOM 荧光组分与游离态氮的Pearson相关性

3 结论

(1)南湖水系表层沉积物中总有机质的浓度为5.96～40.04 gkg，平均值为15.69 gkg，WSOM、FA、HM和HA平均浓度依次为0.62、5.22、5.00、4.85 gkg；而WSOM鉴别出4种荧光组分，包含2个类腐殖质组分(C2、C3)与2个类蛋白组分(C1、C4)，其中C1为类色氨酸物质，C2为富里酸，C3为胡敏酸，C4为酪氨酸。

(2)南湖水系表层沉积物中可提取态有机质的平均浓度为10.80 gkg，总有机质的平均浓度为15.69 gkg，可提取态有机质占总有机质的68.83%，远高于其他长江中下游湖泊。可提取态有机质的比例较高，表明沉积物易降解，生物可利用性高。