环境科学  2014, Vol. 35 Issue (9): 3397-3407   PDF    
天然日光辐照下两江交汇处溶解性有机质(DOM)光漂白过程:以涪江-嘉陵江为例
高洁1, 江韬1,2 , 闫金龙1, 魏世强1,2, 王定勇1,2, 卢松1, 李璐璐1    
1. 西南大学资源环境学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400716;
2. 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716
摘要:利用三维荧光光谱手段,结合紫外-可见吸收光谱,分析了涪江(FJ)、嘉陵江(JLJ)及两江交汇处(FJ-JLJ)溶解性有机质(DOM)在太阳辐照下的光漂白过程. 结果表明,在夏季短期太阳辐射作用下,所有样品的有色溶解性有机质(CDOM)浓度[a(280)]和荧光峰A、C、M、T均发生了较明显光漂白,降解程度大小顺序为JLJ>FJ-JLJ>FJ. 3个采样河段DOM光漂白性质因采样水域周边土地利用类型不同、江水汇合的稀释作用等影响而存在一定差异. 以森林系统为陆源输入的JLJ样本光漂白活性最高,城市输入占主导的FJ最低,两江汇合样本居中. DOM经日光辐照后,光谱斜率S和吸光度比值A250/A350增大,腐殖化指数HIX减小,它们可作为光漂白过程中DOM性质变化指标. 光漂白过程中,几乎所有样本呈现出陆源特征向自生源特征转化的趋势,尤其IT/IC先降低后显著增加,因此光漂白过程可能会夸大DOM的内源贡献,同时对利用IT/IC评估水体人为影响程度时产生干扰. 另外,吸收和荧光光谱参数在评估DOM光漂白过程中结构组分变化的一致性,进一步证明了采用两种互补的光谱手段对DOM地化特征进行辨析的可行性.
关键词溶解性有机质(DOM)     三维荧光光谱     紫外-可见吸收光谱     光漂白     光降解     天然有机物(NOM)    
Photobleaching of Dissolved Organic Matter (DOM) from Confluence of Two Rivers Under Natural Solar Radiation:A Case Study of Fujiang River-Jialingjiang River
GAO Jie1, JIANG Tao1,2 , YAN Jin-long1, WEI Shi-qiang1,2, WANG Ding-yong1,2, LU Song1, LI Lu-lu1    
1. Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China;
2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400716, China
Abstract: Three-dimensional fluorescence spectroscopy combined with ultraviolet-visible absorption spectra was used to investigate the photobleaching process of dissolved organic matter (DOM) sampled from Fujiang River (FJ), Jialingjiang River (JLJ) and the confluence (FJ-JLJ) under natural solar radiation. The results indicated that obvious photochemical degradation of colored dissolved organic matter (CDOM) concentration [a(280)] and all fluorescence peaks intensity (A,C,M and T) occurred under natural solar radiation, and the degradation degree was in order of JLJ>FJ-JLJ>FJ. Photobleaching properties of DOM samples from different locations showed significant differences, which could be partially explained by the sampling sites surroundings including various landuse types, and dilution effect of river confluence. Light-induced bleaching activity of JLJ samples, which was mainly terrestrial input from forest system, was the highest as compared to the lowest activity of FJ samples, which was predominated by urban inputs. Samples from confluence were in the middle. Additionally, the spectrum slope(S) and absorbance ratio (A250/A350) were increased, while the humification index(HIX) was decreased with increasing irradiation time, which can be used as important indicators for photobleaching properties changes during the process. More importantly, the predominantly allochthonous (terrigenous) characteristics of DOM almost showed a tendency of transferring to autochthonous (authigenic) characteristics due to photobleaching. Especially, IT/IC firstly decreased and then increased significantly in the process. Thus the photodegradation process may exaggerate DOM autochthonous contribution, and further interfere with the assessment of anthropogenic impacted-water quality by using IT/IC. In addition, mechanisms of light-induced DOM degradation process consistently showed by absorption and fluorescence spectrum parameters suggested the validation of analyzing DOM geochemical characteristics by the two important spectra tools.
Key words: dissolved organic matter (DOM)     three-dimensional fluorescence spectroscopy     ultraviolet-visible spectra     photobleaching     photodegradation     natural organic matter (NOM)    

溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)是生态系统重要组成部分[1],对全球碳循环有重要影响[2],对生态系统的能量输入和物质转化也具有重要作用,尤其是在水生生态系统中[2,3]; 同时DOM也是重要水质评价指标[4,5]. 作为水环境中一类重要吸光组分,DOM吸收太阳紫外辐射后可发生一系列直接或间接的光化学反应,例如DOM的光漂白(又称光降解)机制:将耐生物降解的大分子有机物分解成微生物可利用的低分子量有机物及无机碳、 氮等[6],对生态环境具有重要意义. 持续性的光漂白将降低DOM作为“光屏障”保护水生系统的作用,导致UV-B辐射在水体中穿透深度增加,进而影响生态系统结构与功能. 此外,DOM的光漂白还会影响与DOM结合的重金属及有机污染物的形态与分布、 迁移转化及其毒性和生物可利用性等[7,8]. 由此可见,了解DOM光漂白机制具有重要的环境意义和生态价值,是进一步认识DOM在污染物生物地化过程中作用的重要基础.

涪江和嘉陵江是长江上游的两条重要支流,是我国西南地区重要的淡水生态系统. 涪江是嘉陵江的支流,在重庆市合川区汇于嘉陵江. 涪江采样河段以城市生态系统为主,嘉陵江采样河段以森林生态系统为主,二者交汇处具有特殊的地理位置和生态环境,其下游居住着大量居民,江水是其生活用水的主要来源,但是由于经济的快速发展及人口的增长,含有大量有机质的农业废水、 生活污水流入江中,影响到居民的饮用水安全. 光漂白是水体DOM去除的重要机制,也是DOM演化重要环境因素,由此对DOM地化性质的改变[9,10],对提高水质有重要影响. 目前,国内有关DOM光漂白的研究主要集中在湖泊、 河口与近海海域[11, 12, 13, 14, 15],针对长江上游区域的研究工作较少,尤其针对两江交汇处的研究工作鲜有报道. 鉴于此,本研究以涪江和嘉陵江的交汇处为调查对象,探讨夏季短期太阳辐射作用下江水DOM的吸收和三维荧光光谱特性的变化规律,结合样本采集区域沿岸生态景观特征,分析比较了涪江、 嘉陵江交汇前后光漂白程度差异的原因,以期为进一步了解DOM在西南地区内陆水环境中作用和意义提供理论依据和科学基础. 1 材料与方法 1.1 样品采集

2013年6月在涪江(FJ)、 嘉陵江(JLJ)及其交汇处(FJ-JLJ)分别采集3个河段表层(0~30 cm)水样(以合流前的两江河段FJ、 JLJ为对照河段),每个河段多点水样(n>10个)现场混合后4℃冷藏运回实验室(图 1). 现场测定pH等指标(表 1),水体叶绿素a (Chla)采用丙酮萃取法测定.

图 1 采样点示意 Fig. 1 Distribution of the sampling sites

表 1 基本水质指标 Table 1 Basic parameters of DOM samples in this study
1.2 光漂白试验

为排除微生物干扰,用0.22 μm醋酸纤维滤膜对水样过滤获得DOM样本,将滤液分装到灭菌后的50 mL透明具塞比色管中加盖密封,部分用铝箔包裹避光作为对照组. 将比色管置于西南大学资源环境学院楼顶,参照文献[13,14],每天辐射10 h(09:00~19:00),试验开始(0 h)及其后光照12、 24、 36、 48 h各取走一组比色管(试验组与对照组各取1支),将样品立即带回实验室后进行分析. 整个试验周期每隔2 h测定一次太阳辐照强度(TES 1332A型辐照计)和紫外线强度(LS 123型紫外强度计). 试验组在有光照时暴露于太阳辐照下,其余时间均用铝箔包裹. 每组处理均设置3个平行取平均值. 1.3 吸收光谱和荧光光谱分析 溶解性有机碳(DOC)采用GE InnovOx Laboratory TOC分析仪测定(表示为mg ·L-1). 吸收光谱和三维荧光光谱(3D-EEM)均采用Horiba公司Aqualog荧光光谱仪进行测定. Aqualog荧光光谱仪可以同时测定吸收和荧光光谱. 紫外-可见吸收光谱方法:以Milli-Q水为空白,用10 mm石英比色皿在230~800 nm范围内进行光吸收测定,间隔1 nm,以280 nm处的吸收系数a(280)表示有色溶解性有机物(CDOM)相对浓度[15, 16, 17]. 本研究中相关吸收光谱参数如表 2所示.

表 2 紫外-可见吸收光谱参数描述 Table 2 Description of ultraviolet-visible absorption spectrum parameters

荧光光谱方法:以Milli-Q水为空白,激发波长(Ex)范围为230~450 nm,增量5 nm,发射波长(Em)范围为250~620 nm,扫描信号积分时间为3 s,光源为150 W无臭氧氙弧灯,Aqualog系统自动校正瑞利和拉曼散射. Aqualog荧光谱峰在Origin软件上参照文献[20,21]识别. 本研究中相关荧光参数如表 3所示.

表 3 荧光光谱参数描述 Table 3 Description of fluorescence spectrum parameters

2 结果与讨论 2.1 紫外-可见吸收光谱特征变化

3个采样河段DOM的吸收系数随波长增加均呈指数降低趋势. 整个试验过程中,DOM吸收光谱变化如图 2所示. 随辐照时间增加,吸收光谱出现不同程度蓝移,说明光辐射对DOM中吸光结构有明显影响. 通过光漂白,DOM中共轭结构遭到破坏,吸光能力降低,吸收光谱向短波方向移动,这和相关报道一致[14,29,30].

图 2 光漂白过程中DOM吸收光谱的变化趋势 Fig. 2 Changes of DOM absorption spectra in photobleaching process

用吸收系数a(280)表征CDOM浓度,随辐照时间增加而不断降低[图 3(a)],证明光漂白是水体CDOM消耗的重要原因. 太阳辐照强度(PAR)和紫外线强度(UV)变化趋势如图 3(b)所示,FJ、 JLJ、 FJ-JLJ的CDOM浓度与PAR相关系数分别为-0.982(P<0.05)、 -0.954(P<0.05)、 -0.997(P<0.01); 与UV相关系数分别为-0.991(P<0.01)、 -0.936(P<0.05)、 -0.994(P<0.01). 由此可见,辐照强度增加是导致CDOM浓度降低的重要原因. 但PAR和UV对CDOM浓度改变的贡献无显著差异,这和Hulatt等[31]报道结果一致. 试验结束时候(光照48 h),FJ、 JLJ、 FJ-JLJ的a(280)分别下降了68.08%、 86.89%、 71.09%,其降低程度较海洋、 湖泊等水体DOM高(表 4),一方面是由于其它研究水域开阔,DOM样本自生源特征较明显,相比于本研究中受陆源输入影响较大的DOM而言,其吸光和发生光漂白的能力相对较低; 另一方面,本研究在重庆夏季6月进行,正值光照强度活跃时期,这也可能影响光漂白程度.

图 3 a(280)、 太阳辐照强度(PAR)及紫外线强度(UV)变化趋势 Fig. 3 Changes of a(280),sun radiation intensity (PAR) and ultraviolet intensity (UV)

表 4 DOM光漂白速率比较 Table 4 Comparison of DOM photobleaching rate

进一步,参照文献[14]方法,通过一级动力学方程ln c/c0=-kt+A(A为常数)拟合出3个采样河段CDOM光漂白动力学常数分别为0.0268、 0.0418、 0.0308 h-1,相应半衰期分别为25.86、 16.58、 22.50 h. 一阶动力学常数越大,表明光化学降解越显著. 由此可见,嘉陵江DOM光漂白程度最大,其次是合流处DOM,最后是涪江DOM.

SUVA280可以反映DOM芳香性大小[16]. 芳香性越高,其分子结构中可能存在的生色团越多,也更易吸收光辐射发生光漂白[33]. 本研究原水样SUVA280大小顺序为JLJ[4.38 L ·(mg ·m)-1]>FJ-JLJ[4.26 L ·(mg ·m)-1]>FJ[3.25 L ·(mg ·m)-1]. SUVA280随辐照时间增加而不断降低(图 4),光照48 h后,FJ、 JLJ、 FJ-JLJ的SUVA280分别损失了55.94%、 79.82%、 53.45%,损失程度为JLJ>FJ>FJ-JLJ. 动力学常数分别为0.0165、 0.0282、 0.0103 h-1,半衰期分别为42.00、 24.57、 67.28 h.

图 4 SUVA280随光照时间的变化趋势 Fig. 4 Changes of SUVA280 along with the illumination time

光谱斜率S与DOM浓度无关[34,35],能够定性反映DOM来源与类型,包括富里酸(FA)/胡敏酸(HA)比例、 分子量大小、 自生源与陆源特征等; 尤其可以反映DOM的光漂白特性[29,36]S值越大,DOM分子量越小,参与光漂白活性可能越低. 图 5(a)为S值动力学变化过程,光漂白导致S值增加,说明光漂白导致DOM分子量减小,这与Helms等[36]的报道结果一致,也间接证明DOM生色团主要由大分子量组分组成(例如芳香性基团). 光照48 h后,S增加程度为JLJ(85.06%)>FJ-JLJ(64.87%)>FJ(52.78%). 另外,Sa(280)呈负相关(P<0.05),进一步证明光漂白对水体DOM的耗损,是引起DOM分子量不断减小的重要原因. 尽管目前有研究采用光谱斜率比值(SR)表征DOM分子量变化[9,32,36],其计算方法为SR=S(275~295)/S(350~400),SR值与相对分子质量呈反比[32,36,37]; 但由于本研究350~400 nm处吸光值在光照试验后期普遍较小,S(350~400)值的计算容易带来较大偏差,因此,本研究仅选用S(270~350)来表征DOM相对分子量变化. 此外,DOM在250 nm和350 nm波长处吸收值比值A250/A350也可反映DOM性质变化,该比值一定程度上与DOM平均分子量呈反比[19]. 和对照相比,DOM A250/A350经日光辐照后均逐渐变大,FJ、 JLJ、 FJ-JLJ分别增加了80.57%、 87.25%、 87.12%,与S变化顺序一致,为JLJ>FJ-JLJ>FJ.

图 5 光谱斜率S、 A250/A350随光照时间的变化趋势 Fig. 5 Changes of spectral slope S,A250/A350 along with the illumination time

整体而言,光照过程中DOM的S值和A250/A350值增加[图 5(b)](相对分子质量减小),这可能和DOM光漂白可形成低分子量有机物或CO、 CO2等产物有关[38,39]. 这些结果进一步证明,水体中DOM可通过光漂白过程转化为小分子物质(生物可利用性可能会增加)[40],是DOM演化的重要机制. 2.2 荧光光谱特征变化

试验过程中均观测到两类4个荧光峰,分别是类腐殖质荧光峰A(250~260 nm/380~480 nm)、 C(330~350 nm/420~480 nm)、 M(310~320 nm/380~420 nm)和类蛋白荧光峰T(270~280 nm/320~350 nm)[20,21],所有样本中均未发现B峰(270~280 nm/300~320 nm). DOM样品光照前和光照48 h后各荧光峰位置变化不大(图 6),与有关河口DOM光降解的报道一致[14,15],表明光漂白并不是引起DOM荧光峰位置发生移动的主要因素. 随光照时间增加,峰值强度减弱,4个荧光峰在夏季短期日光辐照下均发生了不同程度的光漂白. 本研究光漂白程度与以往研究有所差异(表 5),可能与DOM来源和太阳辐射强度差异有关.

图 6 DOM样品光照前和光照48 h后的3D-EEM谱图比较 Fig. 6 Comparison of DOM 3D-EEM spectra before and after light illumination

紫外光区荧光(A峰)主要由一些低分子量(高荧光效率)腐殖物质引起; 而可见光区荧光(C峰)则来自相对稳定高分子量腐殖组分[27,41],因此,IA/IC值可用来反映DOM中腐殖组分发育程度[20,27]. IA/IC越大,DOM中稳定腐殖组分比重越低. 光漂白过程中,C峰较A峰更易降解,对光辐射的敏感程度更高[42]. 与对照组相比,FJ、 JLJ、 FJ-JLJ的IA/IC值均增加[图 7(a)],但JLJ的增幅最大(14.21%~22.94%). 同时,该结果进一步证实了光漂白可能是导致DOM IA/IC值过高的重要原因.

表 5 DOM谱峰强度损失率的比较 Table 5 Comparison of DOM spectrum peak strength loss rate

图 7 IA/IC、 FI、 HIX、 BIX随光照时间的变化趋势 Fig. 7 Changes of IA/IC,FI,HIX,BIX along with the illumination time

FI反映了芳香氨基酸与非芳香物对DOM荧光强度的相对贡献率,可以作为DOM来源及降解程度的评价指标[25,43,44]. FJ、 JLJ、 FJ-JLJ的荧光指数(f470/520)分别为1.74、 1.59、 1.66,介于1.4~1.9之间,表明DOM来源既有内源生产,又有外源输入. 但FJ的f470/520更接近自生源特征值,而JLJ、 FJ-JLJ的f470/520接近陆源特征值. 光漂白过程中,3个采样河段DOM的FI值变化较为复杂[图 7(b)],这可能与DOM来源、 光学特性和历史光照情况有关[45],整体而言,以陆源特征为主DOM有向自生源特征转化趋势.

HIX表征DOM腐殖化程度,HIX值越高,DOM腐殖化程度越高. 从图 7(c)可以看出,随光照时间延长,FJ、 JLJ和FJ-JLJ的HIX相比对照组逐渐降低,表明水样经过光漂白作用后腐殖化程度降低. 与开始时相比,分别降低了24.43%、 44.45%和40.21%,大小顺序为JLJ>FJ-JLJ>FJ. 陆源DOM分子量比自生源DOM(微生物或藻类活动产生)分子量大,木质素较为丰富,芳香性结构相对较多(不饱和共轭双键结构也可能更多[46]),腐殖化程度也较高[47],因此光漂白程度也更大. 本研究中,JLJ、 FJ-JLJ的DOM受陆源输入影响较大,FJ受内源生产影响较大,因此,JLJ、 FJ-JLJ的HIX降低程度高于FJ; 但FJ-JLJ由于江水汇合稀释作用,其HIX降低程度仍低于JLJ.

BIX是评价DOM中自生源贡献比重的重要指标,与DOM中β荧光团有关[21](β荧光团被认为是新近产生的DOM组分),其值受DOM荧光光谱中C峰和M峰影响. FJ、 JLJ、 FJ-JLJ的BIX值相比对照组增加[图 7(d)],其值均在0.8~1.0之间. 另外,随光照时间增加,BIX值呈增加趋势. 这进一步表明光漂白过程中,DOM存在“表观自生源特征增强”的特征,与FI的分析结果一致. 2.3 DOM来源对光漂白程度影响

通过对光漂白过程中DOM吸收和荧光光谱特征对比,笔者发现腐殖化程度高的DOM样本其光漂白程度越大; 而以自生源特征为主的样本,其光漂白程度相对较低. 本研究中3个河段的DOM样本光漂白程度差异明显(P<0.05),大小关系:JLJ>FJ-JLJ>FJ. 这种差异性和DOM性质有关,而来源是重要影响因素,例如采样水域周边土地利用类型、 森林植被等. JLJ样本的采样河段两岸以森林生态系统为主,植被茂盛,土壤腐殖质发育程度较高,DOM主要来自降雨径流和渗流输入,因而陆源输入的DOM结构更为复杂,腐殖化程度更高. 由于本研究工作采样时间为6月,正值雨季(两江丰水期),沿岸径流量增加可能导致JLJ样本陆源特征更为明显. FJ样本的采样河段两岸以城市生态系统为主,尤其是居民生活污水的排放,蛋白质含量高,另外氮磷的输入也导致水体初级生产力较高[叶绿素a:FJ(3.38 μg ·L-1±0.89 μg ·L-1)>JLJ(3.22 μg ·L-1±0.29 μg ·L-1)]. 而两江河流汇合的稀释效应,使得DOM样本腐殖化程度介于两者之间.

IT/IC是类蛋白荧光与类腐殖质荧光的比值,可用以评价内源贡献比重,近几年该值也用来评估水体污染情况[23, 48, 49, 50],典型河流DOM受人为排放影响的IT/IC值>2.0[41,48,51]. 与JLJ样本相比,FJ“人为干扰”特征更为明显(IT/IC更靠近2.0). 光照过程中,FJ和JLJ样本IT/IC值呈现先降低(~12h)再升高趋势(图 8):光漂白初期,类蛋白组分(例如蛋白质和多聚糖等)的降解占主导,使得IT/IC先下降; 而后期,类腐殖质组分降解程度明显增强,含量不断降低,且类腐殖质组分中含N基团的降解可能成为后续类蛋白组分持续增加的驱动力,导致IT/IC上升. 由此可见,光漂白过程可以增加DOM样本“人为干扰”假象,或者影响采用IT/IC评估水体质量的效果.

图 8 IT/IC随光照时间的变化趋势 Fig. 8 Changes of IT/ICalong with the illumination time

本研究中,吸收和荧光光谱参数在评估DOM光漂白过程中结构组分变化的一致性,进一步证明了采用两种互补光谱手段对DOM地化特征进行辨析的可行性. 但值得注意的是,本研究发现芳香性(SUVA280)高并不意味着DOM光漂白潜能强(例如合流处DOM),这可能是因为DOM中除芳香性结构外,一些脂肪链烃结构(包括含N基团)也会参与到光漂白过程中——而这部分非芳香结构对光漂白潜力贡献明显,但却无法用SUVA280值来表征,例如蛋白质、 吡咯等组分. 有研究也表明[52,53],SUVA值与DOM的化学反应活性间并无显著相关性. 相比之下,芳香性结构和非芳香性组分的变化在S值和A250/A350上的反映更为稳定,光漂白过程中DOM整体性质变化在这两个特征值中均可得到反映. 本研究原水样光谱斜率S值和A250/A350大小顺序为FJ>FJ-JLJ>JLJ,其降解程度大小顺序为JLJ>FJ-JLJ>FJ,进一步证明大分子量DOM(S值较小)光漂白潜力较大[36,37]. 另外,本研究发现,光漂白使得DOM会发生表观的“陆源向自生源转化”的趋势,因此采用FI值作为DOM溯源时,并没有完全考虑到光照对DOM演化的影响,仅通过该值简单判断DOM来源并不全面,光漂白过程可能会夸大DOM内源贡献比例. 因此基于采样区域周边具体环境分析,是采用光谱手段解析DOM地化特征的重要补充.

进一步,众所周知内陆河流DOM是海洋DOM重要来源,内陆江河在经过一系列合流后汇入大海[54]. 而实际上,内陆淡水系统中DOM本身就具有部分海洋DOM的自生源特征; 同时在内陆河流汇入海洋的过程中,光漂白也起着十分重要的作用,使得淡水系统中DOM“表观自生源特征”不断增加,这说明关于“陆源DOM只占海洋总DOM贮库的很小一部分”[1, 54, 55, 56, 57]的论述并不很全面,按照现有估算方法可能会低估了陆源DOM对海洋DOM贮库的贡献. 因此,进一步阐述光漂白对内陆淡水DOM演化过程影响是重要的研究方向.

3 结论

(1)夏季短期太阳辐射作用下,CDOM浓度a(280)和荧光峰A、 C、 M、 T均发生了较明显的光漂白,降解程度大小顺序为JLJ>FJ-JLJ>FJ. 光谱斜率S和吸光度比值A250/A350增大,腐殖化指数HIX减小,它们可作为光漂白过程中DOM性质变化指标.

(2)3个河段DOM样本光漂白性质的差异与采样区域周边土地利用类型、 森林植被、 江水汇合稀释作用等有关. JLJ采样河段两岸以森林生态系统为主,陆源特征显著; FJ采样河段两岸以城市生态系统为主,自生源特征显著.

(3)光漂白过程中陆源特征为主的DOM有向自生源特征转化的趋势,进一步证明该过程是水体DOM演化的重要途径,但同时也有可能影响IT/IC评估水体质量的效果.

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