基于三维荧光和二维相关光谱的城市河流溶解性有机质组成及其空间分异特征

崔 兵,高红杰,郑昭佩,于会彬①

(1.山东师范大学地理与环境学院，山东 济南 250358；2.中国环境科学研究院流域水污染综合治理中心，北京 100012)

溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是一种广泛存在于水环境中的复杂有机质，通常指能通过0.45 μm孔径滤膜，由脂肪族和芳香族以及羟基、羧基和氨基等多种官能团组成的有机物连续体或混合体[1]。水体中DOM来源分为内源与外源[1-3]，内源主要指水体生物活动，如藻类释放和水体微生物等自身腐烂分解产生的有机物；外源指大气、陆地等生态系统的有机物通过降雨、径流和渗滤等过程进入水体。DOM能够影响营养盐释放，且可与水体中重金属相互作用，影响水体中微量金属离子的形态、毒性和迁移转化过程及生物有效性，在水域生态系统生物地球化学循环过程中发挥着重要作用[4-5]。近年来由于人类活动对河流的影响，入河污染物负荷增大，导致河流中有机质含量增加，影响了河流水质特征，加剧了水质恶化。蒲河是一条典型城市污染河流，上游河段位于人口较少的清洁区；中游和下游河段分别位于工业发达的工业区和人口密集的居民生活区，承接的大量工业废水和生活污水中的有机污染物加剧了蒲河水质恶化。

目前，研究水体中DOM组成结构的方法主要有荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、傅里叶红外光谱和核磁共振等技术。荧光光谱包括激发/发射光谱、同步光谱和三维荧光光谱(three-dimensional excitation-emission matrix，EEM)[6]，其中EEM具有信息全面、灵敏度高、用量少和不破坏样品结构等优点，可以通过特征荧光峰的激发/发射波长及荧光强度，确定DOM种类及含量，因此在DOM解析中得到广泛应用[7]。PATEL-SORRENTINO等[8]研究亚马逊河河水DOM的三维荧光光谱特征，发现发射波长λem=410～450 nm时，在激发波长λex=235～330 nm和λex=310～330 nm处存在2个富里酸荧光峰。二维相关光谱(two-dimensional correlation spectroscopy，2D-COS)是一种能够跟踪复杂混合物在扰动因素下微妙响应的技术。目前2D-COS与荧光光谱结合多用于研究DOM空间分布、DOM与重金属络合反应和废水处理效果评估[9-10]。传统的2D-COS通常基于平行因子(parallel factor analysis，PARAFAC)方法得出的最大荧光强度(Fmax)进行分析，无法识别不同组分之间的微小变化，而以水流流向为扰动因素，基于PARAFAC得出的激发载荷，能够区分不同组分之间的变化规律[11-12]。鉴于此，以蒲河为研究对象，采集不同点位上覆水，利用光谱及数理统计方法，研究蒲河上覆水DOM光谱特征，揭示DOM来源、含量、结构组成和腐殖化程度，为蒲河水质改善和生态修复提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

蒲河(41°21′53′′～42°4′15′′ N、122°40′48′′～123°56′32′′ E)发源于辽宁省铁岭市想儿山，流经沈阳市境内，沿途有南小河、黄泥河等支流汇入，最终在辽中县汇入浑河。蒲河总长为205 km，流域面积为2 610 km2。由于城镇化进程加快及各产业发展，工业废水、生活污水和农田废水不断进入水体，造成蒲河水质恶化[13]。根据2019年8月水质断面及底泥调查结果，参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，蒲河劣Ⅴ类断面占比为22%，其超标因子为COD，质量浓度平均值为62.94 mg·L-1。

1.2 采样点设置与样品采集

基于水动力特征及污染源分布，在蒲河设置9个采样点(图1)，其中1#、2#和3#采样点位于人口密度较低、污染程度较轻的清洁区河段；4#、5#和6#采样点位于工业发达的工业区河段；7#、8#和9#采样点位于人口较为密集的居民生活区河段。使用分层采水器采集不同点位上覆水，分别装入500 mL聚乙烯水样瓶中密封保存，带回实验室放置于冰箱中冷冻保存1 h。

1.3 DOM提取与荧光光谱检测

将采集的水样采用0.45 μm孔径滤膜过滤，滤液即为DOM溶液。分析前采用硫酸奎宁溶液(4 μg·L-1奎宁溶于0.05 mol·L-1硫酸中)在λex/λem=350 nm/450 nm处荧光强度对所有样品荧光强度进行标准化[14]，并采用吸光度校正EEM内滤效应[15]。采用荧光分光光度计(日立F7000，日本)对DOM样品进行三维荧光光谱检测，以Mill-Q超纯水为空白水样作为校正。实验参数：激发光源为150 W氙灯；光电倍增电压为400 V；λex为200～450 nm，λem为260～550 nm；λex和λem狭缝宽度均为5 nm；响应时间为5 s；扫描速度为2 400 nm·min-1；扫描光谱采用仪器自动校正。检测后通过扣除水样空白和手动置零方式消除拉曼散射和瑞利散射[16]。

1.4 数理统计分析

采用MATLAB 2017b软件中DOMFlour工具箱进行EEMs矩阵的PARAFAC分析，模型通过半劈开验证和残差验证，确定合适的DOM组分数[17-18]。采用Kwansei Gakuin大学发布的2D-shige软件对DOM各组分激发波长做同步异谱图和异步异谱图并进行分析，得到不同组分之间的变动顺序[19-21]。采用SPSS 19.0软件对荧光组分和荧光指数进行主成分分析(principal component analysis，PCA)，识别不同区域水质的主要影响因子。

2 结果与分析

2.1 三维荧光光谱特征

图2为蒲河流域各点位上覆水DOM三维荧光光谱，蒲河各点位荧光光谱形状及峰位基本相似，存在6个较为明显的荧光峰。根据文献[22-23]，T1和T2峰为类色氨酸荧光峰(λex/λem=220～240和260～280 nm/320～370 nm)，是由微生物代谢产物引起的类蛋白峰，通常用来表征河水中微生物活动强度；A峰为紫外光区类富里酸峰(λex/λem=230～260 nm/370～480 nm)；C峰为可见光区类富里酸峰(λex/λem=310～360 nm/370～480 nm)；H和F峰分别为紫外光区和可见光区类胡敏酸峰(λex/λem=260～300和350～380 nm/475～510 nm)，富里酸和胡敏酸一般表征陆源性有机物质。各采样点图谱类富里酸荧光峰(A)和类蛋白荧光峰(T1)荧光强度明显高于其他4个峰，表明这2个峰对应的DOM含量较高。1#～3#采样点荧光峰强度明显小于4#～9#采样点相应荧光峰强度，说明工业区和生活区河段DOM含量大于清洁区河段。

2.2 光谱指数分析

荧光指数(FI)指激发波长λex为370 nm时，发射波长λem为450与500 nm处荧光强度的比值，常用来指示DOM来源[16，24]。根据文献[24]，当FI值>1.9时，DOM主要来自微生物分解的内源性代谢产物；当FI值<1.4时，DOM主要来自陆源有机质，由径流进入水体[25]。图3显示，蒲河各样点FI值介于1.76～2.01之间，平均值为1.88±0.08。其中清洁区河段1#、2#和3#点位FI平均值为1.92±0.03，工业区河段4#、5#和6#点位FI平均值为1.88±0.03，生活区河段7#、8#和9#点位FI平均值为1.82±0.14。总体来看，蒲河各河段FI值由高到低为清洁区>工业区>生活区，清洁区河段DOM主要来源于微生物代谢等过程，而工业区和生活区河段表现出陆源和生物源的双重特性。

自生源指标(BIX)指λex为310 nm时，λem为380与430 nm处荧光强度的比值，用来表征自生源特征及生物可利用性[26]。当BIX值>0.8时，自生源特征明显；当BIX值<0.8时，自生源特征不明显[27]。

如图3所示，蒲河各样点BIX值介于1.02～1.27之间，平均值为1.16±0.06，说明蒲河DOM自生源明显，生物可利用程度高。其中清洁区河段1#、2#和3#点位BIX平均值为1.19±0.06，工业区河段4#、5#和6#点位BIX平均值为1.17±0.006，生活区河段7#、8#和9#点位BIX平均值为1.12±0.09，总体来看，蒲河各河段BIX值由高到低为清洁区>工业区>生活区，清洁区河段DOM自生源特征最明显。

腐殖化指数(HIX)指λex为255 nm时，λem为435～480与300～345 nm区间积分值(或平均值)的比值[28-29]。HIX值主要用来表征DOM的腐殖化程度，HIX值越大,表明腐殖化程度越高。如图3所示，蒲河各样点HIX值为1.76～2.68，点位HIX值均小于4，腐殖化程度较弱，自生源明显，DOM以内源产生为主。其中清洁区河段1#、2#和3#点位HIX平均值为1.89±0.02，工业区河段4#、5#和6#点位HIX平均值为1.81±0.07，生活区河段7#、8#和9#点位HIX平均值为2.04±0.70，总体来看，蒲河各河段HIX值由高到低为生活区>清洁区>工业区，生活区河段腐殖化程度最高，清洁区河段次之，工业区河段最低。生活区河段8#和9#采样点HIX值明显高于其他采样点，这可能是经雨水排口汇入大量生活污水引起。

综上所述，蒲河清洁区河段上覆水DOM主要来源于微生物代谢等过程，而工业区和生活区河段表现出陆源和生物源的双重特性，蒲河上覆水总体上腐殖化程度较弱。

2.3 平行因子分析

采用PARAFAC分析得到6个荧光组分(图4)，包括C1(λex/λem=245 nm/400 nm)、C2(λex/λem=230～320 nm/400 nm)、C3(λex/λem=260～350 nm/450 nm)、C4(λex/λem=270 nm/350 nm)、C5(λex/λem=220 nm/400 nm)和C6(λex/λem=230 nm/350 nm)。其中C1和C2组分分别为紫外光区类富里酸和可见光区类富里酸，分别对应传统A和C峰，一般指示外源输入[30-31]。C3组分为类胡敏酸，分为可见光区和紫外光区，分别对应传统的F和H峰，是典型陆源类腐殖质[32-34]，主要来源于生活污水和工业废水[35]。C4和C6组分为类蛋白物质，对应传统的T峰，主要来源于水生生物代谢产生的氨基酸类产物和生活污水排入，对荧光峰具有复杂影响[36]。C5组分为酚类物质，来自于煤气焦化、石油、化工、制剂制药和油漆等行业废水[37]，可能是由于沈阳东部工业园区内制药和化工企业排放废水汇入蒲河。

基于平行因子提取的DOM荧光组分Fmax可用于表征相应组分丰度(图5)。

蒲河各点位组分Fmax之和介于1 086.7～1 795.8 之间，表明各点位之间荧光物质含量差异较大。1#～3#采样点Fmax平均值为1 176.02±81.53，4#～6#采样点为1 724.26±68.69，7#～9#采样点为1 632.83±31.80，各河段Fmax由大到小为工业区>生活区>清洁区，表明工业区河段DOM中荧光物质含量最大，其次为生活区河段，清洁区河段最小。

在清洁区河段，C1组分Fmax平均值为309.52±37.22，C2组分为166.89±24.35，C3组分为155.44±20.51，C4组分为181.41±19.94，C5组分为212.76±30.62，C6组分为149.98±41.27。总体来看，C1组分丰度最大，且变化幅度较大，其次为C5组分；C3和C4组分丰度较小，且变化幅度较小；C6组分含量最低，但变化幅度最大。在工业区河段，C1组分Fmax(489.23±9.50)约为C2(252.97±19.59)、C3(228.99±20.26)和C4(236.84±21.54)组分的2倍，为C6(191.89±25.44)组分的2.5倍，为C5(325.24±28.31)组分的1.5倍；相比于清洁区河段，工业区河段酚类物质含量明显升高，说明工业区河段受污水排放影响较大。在生活区河段，DOM各组分Fmax由大到小顺序为C1(452.49±5.43)>C5(271.13±8.50)>C4(254.76±3.4)>C2(242.57±8.19)>C3(211.47±10.61)>C6(200.41±29.19)，生活区河段类色氨酸含量比清洁区和工业区河段都高，说明生活污水是生活区河段DOM的主要来源。

图6为水体中各类组分最大荧光强度占比。蒲河DOM不同组分含量差异很大，C1组分占比为24.64%～29.65%，C2组分为13.15%～16.12%，C3组分为12.13%～14.06%，C4组分为12.85%～18.39%，C5组分为16.10%～19.79%，C6组分为8.64%～15.21%。类富里酸是蒲河DOM主要组分，其次为类色氨酸和酚类物质，类胡敏酸最少。

2.4 2D-COS分析

基于平行因子法分析结果，蒲河DOM中类富里酸和类色氨酸含量较高，且在清洁区、工业区和生活区河段变动较大。因此，C1、C2和C4 3个组分之间的变化规律对研究区环境研究具有较高科学价值。

图7为蒲河清洁区、工业区和生活区河段采样点DOM C1、C2和C4组分间的同步-异步2D-COS图。

如图7所示，清洁区河段同步图谱中C1和C2与C4均呈正相关，但在异步图谱中C1和C2与C4均呈负相关。因此，随着河流流向，蒲河清洁区河段C1、C2与C4变化顺序为C1/C2→C4，表明类富里酸含量变动幅度大于类色氨酸，类色氨酸含量相对稳定，间接验证清洁区河段生活污水和工业废水排放较少，受人类活动影响较弱。如图7所示，工业区河段同步图谱中C1和C4呈正相关，C2与C4呈负相关，异步图谱中规律一致。因此，蒲河工业区河段C1、C2与C4变化顺序为C4→C1/C2。如图7所示，生活区河段同步和异步图谱中C1、C2与C4均呈正相关，因此变化顺序为C4→C1/C2，这表明工业区和生活区河段类色氨酸含量变动幅度比类富里酸大，进而验证存在大量生活污水和工业废水汇入，导致类色氨酸物质可能降解为小分子类富里酸。

2.5 主成分分析

对光谱指数和荧光组分Fmax进行主成分分析，KMO值为0.54，P值为0，满足主成分分析要求。经主成分分析得到2个成分，累计方差贡献率为73.93%，能够反映原始指标特征。指标载荷绝对值大于0.7时，该指标为关键因子。图8为主成分因子载荷和采样点得分示意。PC1累计贡献率为55.15%，包含C1、C2、C3、C4和C5组分，它们与PC1载荷呈显著正相关，间接验证蒲河污染物主要来源于工业废水和生活污水。PC2累计贡献率为18.78%，包含BIX和C6组分，其中BIX与PC2载荷呈正相关，而C6组分与PC2载荷呈负相关，表明DOM以生物源为主。8#采样点得分较高，表明8#采样点BIX值最低(图4)；1#采样点PC2得分最低，表明1#采样点C6组分含量最低(图5)。

依据采样点得分矩阵得到3个椭圆(置信度为45%)，分别为清洁区河段(1#～3#)、工业区河段(4#～6#)和生活区河段(7#～9#)。1#～3#采样点位于Ⅱ和Ⅲ象限，4#～9#采样点位于Ⅰ和Ⅳ象限，这表明蒲河上覆水DOM特征沿清洁区、工业区和生活区河段发生变化。4#～6#采样点得分较高，表明这3个采样点DOM含量较高，蒲河DOM深受人类活动影响。

3 结论

(1)蒲河上覆水DOM主要由类富里酸、类胡敏酸、类色氨酸和酚类物质组成，其丰度由大到小为类富里酸>类色氨酸>酚类物质>类胡敏酸。工业区河段DOM荧光物质丰度最大，其次为生活区河段，清洁区河段最小。

(2)蒲河清洁区河段DOM主要来源于微生物代谢等过程，而工业区和生活区河段表现出陆源和生物源的双重特性，总体上腐殖化程度较弱。

(3)蒲河工业区和生活区河段类色氨酸含量变化幅度大于类富里酸，而清洁区河段相反，表明工业区和生活区河段DOM受人类活动影响明显大于清洁区河段。

(4)DOM特征与C1～C5组分呈显著正相关，表明水中污染物主要来源于工业废水和生活污水。不同河段DOM存在差异，呈沿清洁区、工业区和生活区河段变化的规律。