作为环境系统重要组成部分，溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)自身的地球化学特征及其环境角色，一直以来受到广泛关注. DOM不仅能积极参与环境污染物的迁移转化，又与全球碳循环密切联系^{[1, 2, 3]}. 三峡库区消落带作为全球最大消落区，其独特“干湿交替”特征，使该区域内污染物的环境化学行为极为复杂； 而了解该区域DOM地化特征有助于进一步揭示相关环境问题机制，更全面认识天然有机质在库区中的环境生态效应.

有色溶解性有机质(chromophoric DOM,CDOM)作为DOM重要组成部分，因其吸光能力和光学特性，可改变水下光场^{[4, 5]}，作为“光屏障”保护水生系统免受紫外辐射影响； 同时DOM“光漂白”(光降解)过程，又会触发一系列光化学反应，例如活性自由基的产生^{[6, 7]}，因此具有重要生态环境意义. 近年来，对这种光学特性的研究主要集中于DOM地化特征辨析、 环境作用机制以及水色遥感等方面. 在对CDOM吸光机制的解释中，由于各独立生色基团的简单叠加作用(superposition)并不能完全揭示其光学特性^{[8, 9]}，同时醌基和氢醌等结构对CDOM吸光贡献也较为有限^[10]； 因此近年来，生色团间的电荷转移配位作用成为了解释和补充CDOM光学特征的新切入点^{[8, 9, 10, 11, 12]}. 电荷转移配合物(charge-transfer complex,CTC)又称为电子受体-供体配合物，是DOM分子内部结构的一种相互作用形式，通过电子受体基团(醌、 氧化态芳香结构等)和供体基团(酚、 吲哚等)相互作用形成. 目前关于水体CDOM的研究中对该生色系统关注不多，而大多关注CT配合物的报道也集中于大气气溶胶^{[13, 14]}.

基于此，本文以三峡库区消落带水体DOM为研究对象，通过NaBH₄还原处理法，得到两套生色系统(生色团叠加和电荷转移配位作用)的吸收光谱曲线. 通过对还原处理前后CDOM吸收光谱进行分析，了解三峡库区消落带水体CDOM中，电荷转移配合物对DOM吸收光谱的影响，尤其是特征参数的变化情况. 研究结果有助于进一步了解该区域内DOM光学和光化学特性； 同时，对探索DOM介导的污染物光化学反应(例如甲基汞的光降解^[15])，具有一定的环境意义和理论价值.

4个采样点分别位于三峡库区消落带(图 1)：上游地区的涪陵珍溪、 中游的忠县涂井和石宝寨，以及下游地区的开县汉丰湖. 4个主要采样点各选取3个点位，每个点位收集3-5个水样(表层0-0.5 m)混合为1个代表样，水样装入HDPE材质水样瓶4℃冷藏箱保存，24 h内送回实验室. 采用HANNA多参数水质分析仪(HI98130)现场测定水样pH、 EC和TDS等指标. 水样过Millipore 0.45 μm PVDF材质滤膜后，棕色水样瓶4℃保存备用.

图 1

Fig. 1

图 1 样本采集区域示意 Fig. 1 DOM sampling sites in TGR areas

将CDOM生色系统分为两部分，分别为独立的生色团系统(independent chromophores)和电荷转移配合物系统(charge transfer complex). 根据Beer-Lambert定律：A=K×l×c，式中，A为吸光度，K为吸收系数，l为吸收介质厚度，c为吸光物质浓度. 对于同一DOM样本而言，A=(K_chromophores×c_chromophores+K_{charge transfer complex}×c_{charge transfer complex})×l，即“双生色系统”模型.

因此，采用对CT结构具有特定灵敏性的NaBH₄作为还原剂，破坏DOM中的电荷转移配合物^[10]. NaBH₄可以选择性还原羰基化合物，包括醌，酮和醛. 有研究表明该还原剂不会与CDOM中的常见生色结构反应，例如芳香性结构^[10]. 由此最终得到只由各生色团独立作用产生的CDOM紫外-可见吸收光谱. 参照文献^[10]的方法，按照3 mL样品/5 mg还原剂混合比例(NaBH₄过量)，向制备好的DOM样本中加入NaBH₄(优级纯)，放入四氟材质微型磁力搅拌子，25℃控温搅拌30 min后静置，再用移液枪微量加入6mol ·L^-1 HCl，调整样本pH至7.0后，待上机光谱扫描.

吸收光谱采用Horiba公司Aqualog®紫外吸收-荧光光谱仪进行测定. 以Milli-Q水为空白，用10 mm石英比色皿在230-800 nm范围内扫描，间隔1 nm，以355 nm处吸收系数a(355)表示有色溶解性有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)相对浓度. 研究中相关吸收光谱参数具体计算方法如表 1所示.

表 1 (Table 1)

表 1紫外-可见吸收光谱参数计算方法[16] Table 1 Calculation methods of ultraviolet-visible absorption spectrum parameters 吸收光谱参数 计算公式 公式参数 描述 参考文献 吸收系数a(355) a(λ)=2.303A(λ)/l a(λ)为波长λ吸收系数(m-1)，A(λ)为吸光度，l为光程路径(m) 表示CDOM相对含量 [17] 光谱斜率及斜率比值 SR=S(275-295)/S(350-400)a(λ)=a(λ0)exp[S(λ0-λ)] a(λ)是DOM吸收系数(m-1)，λ是波长(nm)，λ0是参照波长(nm) 反映DOM部分地化特征，包括富里酸(FA)/胡敏酸(HA)比例、 分子量大小、 光漂白活性等 [16, 17] SUVA254 SUVA254=A(254)/DOC A(254)为254 nm波长处的吸收度，DOC为溶解性有机碳(mg ·L-1) 表征DOM芳香性程度高低 [18, 19] SUVA260 SUVA260=A(260)/DOC A(260)为260 nm波长处的吸收度，DOC为溶解性有机碳(mg ·L-1) 表征单位有机碳含量的DOM疏水性程度高低 [16, 20, 21] SUVA280 SUVA254=A(280)/DOC A(280)为280 nm波长处的吸收度，DOC为溶解性有机碳(mg ·L-1) 在DOC浓度较高情况下，254 nm处生色团易饱和，常选取280 nm计算SUVA280代替SUVA254 [22]

表 1 紫外-可见吸收光谱参数计算方法[16] Table 1 Calculation methods of ultraviolet-visible absorption spectrum parameters

图 2为经NaBH₄处理前后的DOM吸收光谱. 还原处理后，4个采样点样本均出现吸收光谱蓝移(向短波处移动). 这与已有报道的电化学还原NOM的吸收光谱变化情况类似^[23]； 大气气溶胶中的褐碳也存在同样现象^[13]. 这说明无论何种来源的溶解性有机质均存在近似生色系统，决定其光学特性的分子结构类似. 还原后光谱曲线中，230-250 nm波长处(π—π^*吸收带)出现较明显吸收(图 2)，基本与芳香性结构(苯环)吸收带位置一致，由于该吸收曲线为各生色团系统独立作用结果，因此可以证明在非电荷转移配位作用产生的吸收光谱中，芳香性结构是CDOM主要吸光组分.

图 2

Fig. 2

每张图中相同颜色曲线表示同一采样点的同一样本 图 2 经过NaBH4处理前后DOM紫外吸收光谱变化 Fig. 2Changes in DOM absorption curves before and after NaBH4 reduction

本研究采用微量蠕动泵对NaBH₄还原后的DOM泵入空气，使其再度氧化，以观察CT配合结构的还原-氧化可逆性. Millipore® 0.22 μm PVDF材质滤膜在泵前管路中对空气过滤纯化. 结果显示所有DOM吸收曲线无明显变化，表明NaBH₄还原导致的DOM结构变化不可逆，这与文献^{[24, 25]}有所差异：这可能与不同DOM还原方法有关. 相对于电化学和微生物还原而言^{[24, 25]}，NaBH₄还原能力较强，对电荷转移配位结构影响明显. 尽管DOM中氢醌等结构可以再度氧化，但芳香酮和醌甲基等结构被还原为醇后不可再氧化恢复原状——而这种含有羰基的结构对DOM光学特性贡献往往大于醌基，尤其是在长波方向上^{[10, 26]}.

图 3为吸光度变化情况，该曲线实际上为CT配合物所产生的吸光曲线. 在280 nm和330波长处(n—π^*吸收带)有明显吸收，表明CT配合物结构中可能存在非共轭结构生色团，例如羰基，而这类基团正是DOM分子中电荷转移(电子供体-受体)配位作用结果. 结合前文非CT结构产生的吸收光谱曲线(图 2)，说明利用NaBH₄还原后，可以将无特征峰的指数型吸光曲线分为两套具有特征吸收带的光谱曲线.

图 3

Fig. 3

每张图中不同颜色曲线表示同一采样点的不同点位 图 3 CT配合物所产生的吸光曲线 Fig. 3 DOM absorption curves induced by charge-transfer complex

基于本研究中采用的230-800 nm波长范围，在忠县石宝寨、 忠县涂井、 开县汉丰湖和涪陵珍溪DOM样本中，各自CT配位结构分别占总生色系统的69.63%、 37.57%、 41.16%和67.93%(均值). 因此可知，忠县石宝寨和涪陵珍溪两处DOM中，CT结构对其吸光特征影响较其余两处更大.

有研究表明CDOM和DOM浓度(DOC)存在较好相关性，在湖泊和海洋研究中常用CDOM对DOC浓度进行反演^[27]. 本研究根据NaBH₄还原前后光谱曲线，采用三波长模型^[28]对DOC进行估测如下：

表 2 (Table 2)

表 2 三波长模型回归拟合相关参数 Table 2 Multiple linear regression coefficients of three-wavelength model for DOC estimation NaBH4处理 A B C R2 P 还原前 3.29 -2.76 -1.16 0.65 <0.01 还原后 -0.33 1.25 -1.72 0.85 <0.01 前后变化Δ(CT配合物) -4.39 4.27 1.92 0.23 >0.1

表 2 三波长模型回归拟合相关参数 Table 2 Multiple linear regression coefficients of three-wavelength model for DOC estimation

经过NaBH₄处理后，CDOM吸收光谱特征值均变化显著(P<0.05)(表 3). 其中，CDOM浓度[a(355)]、 表征芳香性和疏水性大小的SUVA值均明 显下降，而表征分子量变化S_275-295和S_R值显著 增大. 从表观上看，CT结构的破坏，会导致CDOM含量减少，芳香性和疏水性特征减弱，芳香性结构减少. 实际上NaBH₄并没有明显破坏DOM中π—π^*双键等共轭结构(图 2)，而SUVA值的表观减少，会导致误判为该还原过程改变了DOM中芳香性结构. 值得注意的是，根据“双生色系统”原理，可见长波方向上的光吸收主要来自于CT配位作用； 而紫外和近可见光部分的吸收则主要来自于芳香性结构^[11]. 研究结果也表明电荷转移配合物对特征波长(波段)的吸光度存在明显贡献，因此对于单一DOM样本而言，利用特征值(例如SUVA)估计DOM地化特征时需考虑到CT结构的影响.

表 3 (Table 3)

表 3 CDOM吸收光谱特征参数变化 Table 3 Changes in specific absorption parameters of CDOM before and after NaBH4 reduction 来源 CDOM [a(355)] SUVA254/L ·(mg ·cm)-1 SUVA260/L ·(mg ·cm)-1 SUVA280/L ·(mg ·cm)-1 S275-295 SR 还原前 还原后 还原前 还原后 还原前 还原后 还原前 还原后 还原前 还原后 还原前 还原后 忠县石宝寨1 10.364 2.764 0.071 0.040 0.066 0.037 0.054 0.025 0.002 0.008 0.880 1.867 忠县石宝寨2 11.054 2.764 0.083 0.047 0.077 0.043 0.062 0.0280 0.003 0.012 0.848 1.918 忠县石宝寨3 9.903 0.921 0.081 0.034 0.076 0.031 0.062 0.016 0.000 0.018 0.089 0.333 忠县涂井1 28.097 23.951 0.231 0.171 0.219 0.161 0.166 0.116 0.003 0.004 1.600 2.614 忠县涂井2 14.279 3.455 0.065 0.037 0.061 0.033 0.049 0.022 0.009 0.012 3.462 3.935 忠县涂井3 35.466 26.024 0.251 0.203 0.238 0.191 0.179 0.137 0.006 0.007 1.667 2.323 开县汉丰湖1 26.945 11.285 0.193 0.125 0.182 0.116 0.150 0.086 0.002 0.007 0.759 2.061 开县汉丰湖2 32.242 22.339 0.090 0.058 0.085 0.054 0.070 0.039 0.003 0.007 0.711 2.250 开县汉丰湖3 34.084 23.260 0.102 0.067 0.097 0.061 0.080 0.044 0.004 0.007 0.725 2.250 涪陵珍溪1 9.212 2.073 0.069 0.033 0.065 0.030 0.052 0.016 0.003 0.013 0.962 2.400 涪陵珍溪2 9.903 2.073 0.083 0.038 0.078 0.035 0.062 0.018 0.003 0.015 1.292 3.311 涪陵珍溪3 9.903 4.376 0.083 0.046 0.077 0.042 0.062 0.024 0.004 0.011 0.203 1.667

表 3 CDOM吸收光谱特征参数变化 Table 3 Changes in specific absorption parameters of CDOM before and after NaBH4 reduction

另一方面，在利用紫外-可见光谱特征分析DOM地化特征时，是否可以不考虑“双生色系统”的前提下，对不同DOM样本之间进行比较？因此，本工作对还原前后参数的变化特征进行相关性分析(图 4). 结果表明，还原前后，SUVA,CDOM以及S_R值均呈现出较强线性相关性(P<0.01)，这表明无论是“各生色团叠加”还是“电荷转移配位作用”，对采用这些参数进行不同样本间对比时，影响不大. 另外，在实际工作中，由于无法准确估计两个生色系统在DOM样本中所占比例，因此还原后紫外短波处S_275-295变化较为不稳定. 因此在利用吸收光谱斜率(S)对DOM分子尺寸改变进行估计时，尤其是在DOM光降解研究中，是否考虑“双生色系统”的作用，对结果影响较为明显. 本研究建议使用较为稳定的S_R值.

图 4

Fig. 4

图 4 NaBH4还原处理前后吸收特征值的相关性分析 Fig. 4 Correlation between specific absorption parameters before and after NaBH4 reduction

同时，NaBH₄还原后，S_R值增大，表明还原后DOM分子量降低，这也和DOM分子结构组成有关. “自组装理论”认为包括DOM在内的天然有机质是大分子物质，是由一系列小分子物质通过电荷间作用进行自我组装而成^[30]. NaBH₄破坏了电荷间配位作用，使得大分子结构变为更为松散的小分子聚合体，分子尺寸降低. 而这种结构分散导致的分子尺寸变化，对DOM环境角色的影响，例如氧化-还原特性、 光敏潜能等，还有待作进一步研究工作.

本研究中考虑了Fe³⁺和NO₃^-可能存在的干扰^{[19, 31]}. 参考文献^{[18, 19]}的方法，计算230~800 nm波段内Fe³⁺对DOM吸光度贡献(表 4)，平均为1.25%-3.06%，对DOM光谱干扰不显著. 由于Fe²⁺对光谱几乎无干扰^[32]，而NaBH₄还原处理后，Fe³⁺几乎全部还原为Fe²⁺； 因此并未考虑NaBH₄还原前后Fe²⁺的影响. 另外，NO₃^-仅在220 nm处存在明显吸收(HJ/T 346-2007)，不在本研究波段范围内，故本研究忽略不计.

表 4 (Table 4)

表 4 DOM样本中Fe平均含量及吸光贡献 Table 4 Average Fe and in DOM samples and contribution of Fe3+ to DOM absorption spectra 采样点 Fe2+/mg ·L-1 Fe3+/mg ·L-1 Fe3+吸光贡献比/% Fe总/mg ·L-1 忠县石宝寨 0.007 6 0.013 5 3.06 0.021 1 忠县涂井 0.004 6 0.012 1 2.27 0.016 7 开县汉丰湖 0.004 3 0.016 8 2.05 0.021 3 涪陵珍溪 0.001 6 0.009 9 1.25 0.011 5

表 4 DOM样本中Fe平均含量及吸光贡献 Table 4 Average Fe and in DOM samples and contribution of Fe3+ to DOM absorption spectra

通常在DOM“光漂白”(光降解)时，由于分子量减小，长波处吸光度损失高于短波处，导致光谱斜率S值升高； 但也有部分研究发现水体发生光Fenton反应时^[33]，S值会随光降解进行而降低，而“独立生色团叠加”无法解释该现象，但可以基于“反应体系中生色系统的改变”来解释：随着光Fenton反应进行，参与反应的生色团(系统)，从配位-金属电荷转移(ligand-to-metal charge-transfer)结构逐步变为非金属参与的生色团相互作用，即单纯电荷转移配位作用； 而CT配合物的多少及复杂程度，又决定了光Fenton反应的活跃程度. 同时，由于CT配合物对可见光波长的特异敏感性，因此，在CDOM浓度一定，同等光强条件下，尤其是可见光波段，DOM中CT配位结构所占生色系统比例越大，DOM越易作为光敏因子，被光照激发，从而启动一系列光化学反应.

同时，除受NaBH₄这种强还原剂导致的DOM还原外，在湿地、 消落带、 潮间带以及淹水土壤/底泥等厌氧生态系统中，可以预见，受其他电子供体(例如H₂和H₂S)和微生物影响^{[26, 34, 35]}，DOM会呈现出不同程度的还原态^{[23, 26, 34, 35]}，导致不同还原条件下的紫外-可见吸光曲线并不相同. 目前对CDOM光学特征研究中，几乎都未考虑氧化-还原条件影响，取样、 过滤、 扫描过程中大多在空气中完成——对于表层水体(0-1 m)DOM影响还尚有限； 但对于深海及前面所提及的厌氧环境而言，DOM的吸光曲线势必会受到氧气干扰，尤其是考虑CDOM随水深变化时. 另外，在利用吸收光谱特征辨识DOM地化特征时，氧化-还原条件对光谱曲线的影响也不能够忽视.

另外，基于“双生色系统”机制模式来解释CDOM的光学特性，使得原有利用紫外-可见吸收及荧光光谱分析DOM地球化学特征的方法，具有了一定的不确定性. 例如，荧光光谱中常用的PARAFAC荧光峰统计分析方法^[36]，其理论基础是DOM中所有参与吸光和发射光过程的生色团都是独立工作，彼此间无相互作用，并未考虑CT配合物贡献. 目前，尚无报道指出CT配位结构是否对PARAFAC分析存在影响.

(1)基于“双生色系统”模型，通过NaBH₄还原处理法，可以得到水体DOM中两套生色系统作用下的吸光曲线，分别来自于各生色团叠加作用和生色团间的电荷转移配位作用； 尤其后者对CDOM的吸光能力贡献明显，不能忽略. 4个采样点中，超过35%的DOM吸光度来自于CT配合物，忠县石宝寨和涪陵珍溪DOM中CT配合物作所占比例最高(>50%)，其次是开县汉丰湖和忠县涂井.

(2)经NaBH₄还原去除CT结构后，吸光曲线出现蓝移，CDOM浓度降低，断键导致DOM结构分散，分子尺寸减小，光谱斜率(S)值降低. 同时，由于疏水性组分减少，表观芳香程度降低. 特征参数SUVA、 CDOM和S_R在不同DOM样本间对比时，较为稳定，而S_275-295受CT影响较明显. 在利用短波处CDOM对DOC浓度进行反演时，CT配合物对模型建立影响不大.