城市污染河流水体中溶解性有机物(dissolved organic matter，DOM)占总有机物含量的30%~40%，影响水质中多种有机物指标，同时也是污水处理的主要对象^[1]. 水体中DOM指可以通过0.45 μm滤膜的有机混合体，组分主要是腐殖酸、 亲水性有机酸、 氨基酸、 碳水化合物及脂类等^[2]，其在污染河流中主要来源为人类生产活动污水、 工业废水及死生物的自然消解或被细菌分解后产物^[3]. 水体中DOM的组分类别、 质量分布、 腐殖质化程度以及分子结构特征对水体水生态变化及重金属的迁移转化有重要影响^[4]. 因此，DOM研究对于城市纳污河流保护及其生物地球化学研究等有重要意义.

三维荧光光谱(excitation-emission matrix，EEM)是一种能得到图像直观、 信息丰富谱图的光谱分析技术，对DOM分子内与分子间的动力学特性、 含有苯环或共轭双键的有机物组成特征均能准确地反映，是灵敏区别和表征水体中不同DOM特征的最佳光谱分析技术之一^[5]. 紫外-可见吸收光谱(ultraviolet-visible，UV-Vis)因具有仪器普及、 操作简单、 所需样品量少等优点，是研究DOM的来源及样品结构特征差异时快捷便利的方法. 近年来该类光谱技术已被广泛应用于湖泊、 河口及海湾等水环境DOM研究^[6]，但大多研究者采用寻找特定峰值法解析荧光信息，因此未能充分解读荧光指纹携带的所有信息. 而荧光区域积分是一种识别和表征多组分体系中荧光光谱的重叠对象的解析方法，能一定程度克服以上不足.

河北洨河为典型北方城市纳污河流，其以接纳城市污水处理出水及农村生活污水为主要补给水，因而各支流对其干流水质情况有重要影响. 本研究联合紫外吸收光谱、 三维荧光区域积分法、 同步荧光及统计分析方法对洨河水体中DOM的组成特征、 分子结构特征及芳香性等进行表征，揭示各支流补给水源水体中DOM特征及支流汇入后干流水体中DOM的变化特征，以期为洨河治理和生态修复提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况及样品采集

河北洨河是石家庄市南部一条重要的行洪、 排污河流，目前无天然水源补给，以市区及周边污水处理厂出水为主要水源，是子牙河南支滏阳河主要污染支流之一，为典型接纳生活污水、 制药和食品加工行业排放废水而严重污染的城市纳污河流. 桥东污水处理厂尾水、 桥西污水处理厂尾水及窦妪经简单处理后生活污水为洨河源头主要补给水源，窦妪出水口下游为洨河湿地，沿途还接纳赵县污水处理厂出水，其余支流已处于干涸.

为研究洨河此4种主要水源补给点水体DOM特征及干流水体中DOM变化特点，因此将该4处所采集水样定义为洨河支流样品，均采集于污水出口； 尾水补给点上游因水量较少基本处于干涸，河流水源主要由上游3座污水处理厂提供，因此将洨河湿地下游所采集水样作为干流第一个样品. 按上游至下游原则依次编号，其中支流对应编号为S1、 S2、 S3、 S6； 干流4个采样点S4、 S5、 S7、 S8，具体采样点位置见图 1.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区域及采样点示意 Fig. 1 Location of the study area and sampling sites

1.2 样品采集与前处理

于2014年6月对洨河支流及干流共布设8个点位，每个点位随机采集4次水样，每次采集500 mL，将其混合成2 L混合样品，使用棕色瓶室温保存. 采集样品同时测定pH、 溶解氧 (表 1). 样品采集后立即用孔径0.45 μm的Millipore 聚碳酸酯滤膜过滤，滤液中的有机物即为DOM，避光冷藏保存. 测试荧光之前对浓度较高样品进行一定的稀释，降低DOC浓度，同时使pH值控制在6~7之间.

过滤后水样带回实验室后进行水质基本指标测试，其中DOC采用总有机碳分析仪器(multi N/C-2100 TOC,Analytik Jena,GER)，氨氮采用纳氏试剂法，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，COD采用重铬酸钾滴定，TP采用钼酸铵分光光度法.

表 1(Table 1)

表 1 水样基本性质 Table 1 Basic parameters of water samples 样品 pH DO /mg·L-1 NH4+-N /mg·L-1 TN /mg·L-1 DOC /mg·L-1 TP /mg·L-1 COD /mg·L-1 S1 5.4 5.20 1.33 52.7 35.80 0.87 120.3 S2 5.6 6.34 0.69 17.2 25.20 1.88 61.4 S3 5.8 4.20 14.01 17.7 51.20 1.06 232.3 S4 5.43 7.33 0.90 19.3 15.09 0.68 104 S5 4.85 7.28 0.75 22.6 16.94 0.44 152 S6 5.0 2.70 82.88 94.0 68.10 0.46 179.3 S7 5.38 6.33 6.28 29.5 17.81 0.83 133 S8 5.19 5.82 4.39 27.9 16.46 0.37 83

表 1 水样基本性质 Table 1 Basic parameters of water samples

荧光光谱采用日立公司生产的Hitachi F-7000型荧光光度计进行测定. 激发光源为150 W氙弧灯，光电倍增管电压为700 V，信噪比＞110，扫描速度为12000 nm ·min^-1，激发和发射单色仪的狭缝宽度均为10 nm，响应时间为自动. 荧光同步扫描光谱激发光谱波长E_x=300~600 nm，Δλ=λE_m-λE_x=18 nm. 激发波长(E_x)范围为200~450 nm，增量5 nm； 发射波长(E_m)范围为280~550 nm，增量5 nm. 计算当激发波长E_x=370 nm、 发射波长E_m=450 nm、 500 nm两处荧光强度比值记为f450/500^[7]； 当E_x=254 nm时，∫(E_m=435~480 nm)/[∫(E_m=300~345 nm)+ ∫(E_m=435~480 nm)]记为HIX^[8].

通过Origin软件采用荧光区域积分法对荧光谱峰进行识别，将3D-EEM区域分成5个部分，分别在对应波长范围内计算荧光区域的积分体积Ф_i； 全光谱总荧光强度(TOT)积分； 各荧光团(峰)占总荧光强度比例P_i. 具体方法参见文献^{[9, 10]}. 采用多元统计软件SPSS对水样同步荧光进行主成分分析(PCA)及水质参数间相关度水平检测.

紫外光谱分析采用日本岛津公司生产的UV1700紫外-可见分光光度计，扫描波长范围为200~400 nm，扫描间距为1 nm. 此外，分别测定254、 250、 365 nm处的吸光度(cm^-1)，以UV₂₅₄、 E₂、 E₃表示. E₂与E₃比值为E₂/E₃^[11]，UV₂₅₄乘上100与DOC浓度之比记为SUVA₂₅₄ [L ·(m ·mg)^-1]^[12].

2 结果与讨论 2.1 水体DOM荧光光谱特征

图 2所示S1、 S2、 S3和S6分别为洨河4条支流样品稀释后的三维荧光光谱图，S3、 S6为稀释25倍后呈现的光谱图，其余均为稀释5倍后图谱. 图 2显示荧光主要分布在5个区域，荧光中心Ⅰ区：E_x/E_m=245/330附近、 Ⅱ区：E_x/E_m=225/340附近、 Ⅲ区：E_x/E_m=240/435附近、 Ⅳ区：E_x/E_m=280/340附近、 Ⅴ区：E_x/E_m=330/430附近. 根据荧光中心位置及相关研究报道可知^[13,14]，Ⅰ区、 Ⅱ区和Ⅳ区所呈现的荧光物质与类蛋白有关； Ⅲ区和Ⅴ区荧光物质与类腐殖质相关. 对比各区荧光峰强度可发现S3、 S6水体DOM组成主要为类蛋白； 而S1、 S2水体中DOM组成除含有类蛋白外，还存在大量类腐殖质. 支流样品均采自各污水处理单位出水，居民生活产生的食物残渣、 人畜粪便及各种生活洗涤用品等类蛋白大量汇入城市污水系统，因此在4种水样中均检测出大量类蛋白. 城市污水大多由管道输送，污水中类腐殖质来自土壤腐殖质含量较小^[15]. 因此，在S1、 S2中出现大量高强度类腐殖质荧光峰，主要为经过污水处理简单物质大量去除所剩的难降解物质^[16]. 图 2 中S4、 S5、 S7、 S8为干流样品三维荧光光谱图，样品呈现荧光中心分布，支流类似，均由类蛋白与类腐殖质组成. 对比干流S7、 S8与S4、 S5荧光谱图可发现，在S6汇入干流后其下游S7相对上游S5荧光强度增大，同时S7相对S8比较可看出类蛋白区荧光逐渐减弱，类腐殖质荧光强度呈增强趋势，表明在洨河干流水体中DOM含量受支流影响较大，也验证了水体DOM中类蛋白组分在自然条件下相对类腐殖质更易发生降解.

图 2

Fig. 2

图 2 水体三维荧光光谱 Fig. 2 EEM spectra of water samples

三维荧光光谱总荧光强度(TOT)和各荧光团分区强度进行区域积分的方法是对三维荧光光谱定量分析的一种有效手段，能更具体解释DOM物质组成和荧光团的变化^[17]. 本研究8种水体样品中DOM的三维荧光光谱均可划分为5个区，样品所得区域积分均按稀释倍数恢复其对应原始浓度的荧光强度值. 根据Chen等^[13]的研究报道，激发波长/发射波长范围分别为200~250/280~325 nm，200~250/325~375 nm的Ⅰ区、 Ⅱ区与类蛋白物质(类色氨酸，类酪氨酸)有关，Ⅳ区在E_x/E_m＞250/280~375与可溶性微生物降解产物等类蛋白物质有关，Ⅲ区与Ⅴ区分布在E_x/E_m： 200~250/375~550 nm，＞250/375~550 nm与类腐殖质(类富里酸，类胡敏酸)有关.

表 2各支流TOT值比较可发现，在洨河4条主要支流补给水源中S3与S6中DOM含量高于上游S1、 S2，其中S6水体DOM含量最高，干流下游S7、 S8中TOT值升高与其有重要关系. S4为洨河湿地下游第一个干流采样点位，较其它干流点比较TOT值最低，推测与洨河湿地微生物降解及湿地植物和湿地填料对DOM的吸附吸收有关. 对比干流S4与S5、 S7与S8中各荧光团(峰)P_i值可发现，除代表胡敏酸的Ⅴ区从下游相对上游呈增大趋势外，其余各荧光团(峰)均呈减小趋势. 一方面可能为湿地植物根系分泌物及湿地植物和沿途接纳的秸秆残体等垃圾在下游逐渐堆积产生的腐殖降解贡献； 另一方面也说明与类蛋白和富里酸相比，类胡敏酸物质因其具有更复杂的结构而不易在环境中被微生物降解^[18]，也可能与洨河微生物群落特殊性有一定关系. 在支流样品S3、 S6水体中类蛋白为主要荧光物质，分别占DOM总量的71.3%、 53.5%，而支流S1、 S2样品中DOM组成73.9%和67.7%为类腐殖质，其中占大部分为V区所代表的类胡敏酸物质. 干流样品除S4以外其它点位水体样品中DOM组成 77%以上为类腐殖质，同时绝大部分为类胡敏酸.

表 2(Table 2)

表 2 水体DOM三维荧光光谱区域积分分析 Table 2 Volume integral of different area in EEM spectra of DOM 项目 区域 S1 S2 S3 S6 S4 S5 S7 S8 区域荧光体积积分值Фi×107/au-nm2-[mg·L-1C] Ⅰ 0.04 0.05 1.14 1.00 0.05 0.04 0.06 0.06 Ⅱ 0.12 0.17 4.29 5.17 0.23 0.21 0.26 0.26 Ⅲ 0.42 0.44 11.12 24.80 0.47 0.99 0.93 0.92 Ⅳ 0.73 0.82 20.43 27.46 0.97 1.10 1.30 1.23 Ⅴ 2.10 1.73 43.27 124.95 1.91 4.99 4.73 4.54 TOT 3.42 3.21 80.25 183.39 3.63 7.34 7.27 7.00 含量Pi/% Ⅰ 1.2 1.4 10.3 7.8 1.4 0.5 0.8 0.7 Ⅱ 3.5 5.3 27.1 18.1 6.3 2.8 3.5 3.68 Ⅲ 12.4 13.8 13.7 14.1 13.0 13.5 12.8 13.1 Ⅳ 21.4 25.4 33.9 27.6 26.6 15.0 17.8 17.6 Ⅴ 61.5 53.9 14.9 32.2 52.6 68.1 65.0 64.8

表 2 水体DOM三维荧光光谱区域积分分析 Table 2 Volume integral of different area in EEM spectra of DOM

基于三维荧光光谱图及区域体积积分对洨河水体DOM特征分析，建议代表洨河支流的4座污水处理单位除注重对类蛋白等易降解的物质去除，同时还应注重对类腐殖质等难降解物质的去除. S1、 S2两处在加强类腐殖质去除时更应注重类胡敏酸类物质去除，S3、 S6应改进污水处理工艺，加大削减污水中相对易处理的类蛋白物质使其达标排放.

为进一步研究水体中DOM组成特征，通过主成分因子分析法(PCA)对同步荧光所得数据进行分析. 利用PC因子得分与波长作图的方法，能区别不同主成分中主要光谱波段，解释水体中DOM不同组分特征^[19]. 如图 3所示，对8种样品所得同步荧光数据进行PCA，可以提取2个主成分(PC)，其方差最大旋转后特征值占总方差的96.25%，即对此2个PC(PC1贡献总方差52.83%、 PC2贡献总方差43.42%)进行分析能够反映数据的绝大部分信息. 图 3(a) 为PC1因子得分与波长关系，在激发波长为288 nm及370 nm处出现两个主要特征峰，在334 nm、 302 nm也分别有微小的峰. 由Chen等^[13]和Huir等^[20]的研究可知，在288 nm、 302 nm处分别为类酪氨酸与类色氨酸，在334 nm、 370 nm处对应物质为类富里酸与类胡敏酸. 由图 3(a)可判断PC1中DOM主要组成为类蛋白物质(类酪氨酸)，并共存一定量类腐殖质. 图 3(b)为PC2因子得分与波长关系，其中在370 nm处出现主要特征峰，此峰代表物质为类胡敏酸^[20]，说明在PC2中DOM主要由类腐殖质组成. 在PC1、 PC2中出现相同的荧光波段(370 nm)特征峰，说明此水体类腐殖质分布形态分为2种方式，一种通过某些载体吸附作用与类蛋白共存的方式存在； 另一种为单纯赋存状态. 因此，因子1主要代表类蛋白物质(类酪氨酸)及其与类胡敏酸共存物质，而因子2主要代表类腐殖质(类胡敏酸).

图 3

Fig. 3

图 3 水体同步荧光主成分分析 Fig. 3 Principal component analysis of the synchronous-scan excitation spectra of the water samples

图 4为8种水体样品经PCA所得旋转空间中成分，从样品显著正载荷分布发现，支流S1、 S2、 S3、 S6及干流S4以PC1所含物质偏多，干流S5、 S7、 S8以PC2所含物质为主. 通过成分得分系数发现，在PC1中S3、 S6、 S4、 S2、 S1得分系数分别为0.301、 0.292、 0.256、 0.167、 0.132； 在PC2中其因子得分系数大小为S5＞S7＞S8. 由以上统计分析结果可知，PC1中类蛋白物质偏多主要为支流4种样品及干流S4所贡献，PC2中类腐殖质主要为干流S5、 S7、 S8贡献. 对DOM在各样品中分布，支流S3与S6中类蛋白物质含量更高，尤其以类酪氨酸为主要组分，S1、 S2中含有大量与类蛋白共存的类腐殖质； 在干流S5、 S7、 S8中DOM组成主要为类腐殖质，以类胡敏酸为其重要有机物质. 干流4种样品中类蛋白、 类腐殖质组成变化可发现，干流与支流汇合后干流水体中类蛋白和与类蛋白共存形式的腐殖质类物质偏高，随河流而下干流水体中类蛋白物质逐渐减少，类腐殖质逐渐增高的趋势，再次验证类蛋白物质在水体中较类腐殖质易降解.

图 4

Fig. 4

图 4 采样点旋转空间中成分 Fig. 4 Property-property plots of PCA factors of the water sample

HIX被广泛应用于表征有机质腐殖化程度的指标. Ohno^[8]研究显示HIX值在0~1间变动，随其值的增大腐殖化程度越深，表 3显示，本研究所有样品HIX值均在0.8以下，其中S3、 S6水体HIX值较其它水体HIX值较小. 表明水体DOM的腐殖化程度较低，

在环境中存在时间较短，主要来自微生物对小分子物质分解后产物及微生物自身的死亡分解； 支流S3、 S6值偏小说明其水体中易降解物质偏多. E₂/E₃常用于湖沼学中指示有机质腐殖化程度及相对分子质量大小^[21]，Wang等^[22]的研究表明，该值的大小与有机质相对分子质量呈反比关系，同时也有研究者提出E₂/E₃值小于3.5时为胡敏酸，大于3.5为富里酸^[11]. 本次所测8个样品中除S1与S2外，其余6个样品E₂/E₃值基本保持在5~7之间，表明在支流S3、 S6及干流水体中DOM的分子以相对较小的富里酸为主，而相对分子质量稍大的胡敏酸含量相对较少，而S1、 S2水体中DOM组成物质中相对分子质量则相对较大，表明在这两个污水处理厂中，大部分小分子有机物已经被去除，留下的都是大分子有机物.

表 3(Table 3)

表 3 水体DOM相对分子质量及芳香性特征参数 Table 3 Parameters for molecular weight and aromatic character of waters DOM 项目 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 HIX 0.711 0.746 0.251 0.577 0.758 0.358 0.703 0.754 E2/E3 3.321 2.279 7.096 6.308 5.303 5.293 5.647 5.469 SUVA254 0.076 0.035 0.082 1.255 1.333 0.100 1.419 1.453 f450/500 2.246 2.148 2.567 2.282 3.716 2.583 3.829 3.815

表 3 水体DOM相对分子质量及芳香性特征参数 Table 3 Parameters for molecular weight and aromatic character of waters DOM

表征水体中DOM相对分子质量与芳香性的指标有很多，据 Nishijima等^[23]研究，有机物在254 nm下的紫外吸收主要是由包括芳香族化合物在内的具有不饱和碳-碳键的化合物引起，SUVA₂₅₄值与DOM芳香性程度呈正相关关系^[12]； 荧光指数(fluorescence index, f450/500)f450/500值能灵敏地表征DOM芳香性，其值越低说明含有苯环结构越多，芳香性较强，同时其还可以用于表征DOM来源^[7]. 从水体中SUVA₂₅₄值与f450/500值可发现其干流大于支流，河流由上游至下游SUVA₂₅₄值呈升高趋势. 以上数据说明随水流而下水体DOM中芳香性组分减少，此类芳香性组分可通过在水流过程中逐渐被底泥及沉积物吸附、 水体微生物分解及光降解等途径减少^[24,25]. f450/500值大小在2~4之间，根据McKnight等^[26]提出f450/500值大于1.9时其来源主要为生物源，而大部分河流、 湖泊的f450/500值接近1.5^[27,28]. 说明其中DOM中腐殖质来源主要为生物源，以污水处理厂尾水为水源的水体中腐殖质组成不同于以地表水为水源的河水. 代表支流S1、 S2、 S3和S6的SUVA₂₅₄值大小均依次为S6＞S3＞S1＞S2，表明S1与S2水体中DOM含有较多的具有不饱和碳-碳键的芳香族化合物，芳香性较强、 相对分子质量大； 而S3和S6水体的DOM组成中相对分子质量相对小、 芳香性较弱. 建议在S1、 S2处理工艺中应添加或改进相关膜处理设备，加强大分子有机物的去除效率； 针对S3、 S6在处理过程中应注重厌氧与好氧生物处理工艺的优化，提高对小分子的去除能力^[29]. 2.4 水体DOM浓度与水质化学指标关系

DOM为水体中重要的有机物，在某种程度上其浓度能体现水体有机物含量的大小，通过对DOM荧光分析能一定程度上反映水体污染状况. 通过对样品荧光光谱区域积分体积与水体化学指标进行分析，发现众多指标间都体现很好的相关显著性，表 4为其Pearson相关性分析结果. TOT由水体中每个荧光团所贡献，能全面反映DOM荧光团浓度，其与水体NH₄⁺-N和COD呈极显著相关(P＜0.01)，与TN呈显著相关(P＜0.05)，说明水体中DOM荧光强度能很好反映水体状况. 从各荧光区与水质化学指标间相关性发现，Ⅲ区、 Ⅴ区与水质TN、 NH₄⁺-N呈显著关系，尤其与NH₄⁺-N相关显著性更强(P＜0.01)，而TP与各荧光区均无明显相关性，可推测洨河水体DOM组成以氮类元素为主，而磷类元素对其贡献相对较少. 因此，在对洨河水体有机质去除可通过降低水体NH₄⁺-N与COD实现，同时对洨河治理应注重氮素的去除与降解.

表 4(Table 4)

表 4 水体荧光强度与水质基本指标相关性 1) Table 4 Relationship between the fluorescence intensity of water DOM and the other water quality chemical indicators Ⅲ区 Ⅴ区 TOT TN TP NH4+-N COD Ⅲ区 1.000 Ⅴ区 0.995** 1.000 TOT 0.999** 0.996** 1.000 TN 0.759* 0.806* 0.765* 1.000 TP -0.151 -0.181 -0.155 -0.434 1.000 NH4+-N 0.959** 0.982** 0.964** 0.872** -0.227 1.000 COD 0.937** 0.967** 0.941** 0.892** -0.257 0.994** 1.000 1)*表示在0.05水平(双侧)上显著相关； **表示在0.01水平(双侧)上显著相关

表 4 水体荧光强度与水质基本指标相关性 1) Table 4 Relationship between the fluorescence intensity of water DOM and the other water quality chemical indicators

水体DOM荧光强度与其化学指标之间的关系，近年也有很多研究者做出相关研究，例如：Baker等^[30]对河水库水三维荧光光谱研究，发现Ⅰ区 [E_x/E_m(280 nm/350 nm)]与 水体氮和磷浓度有很好的相关性； 施俊^[31]对污水处理厂进出水三维荧光光谱研究，发现城市污水中荧光强度与铵态氮和总氮有很好线性关系； 王志刚等^[32]研究表明腐殖酸与DOM的荧光强度有很强相关性. 水体中DOM组成、 来源和测量与水体中许多物理、 化学及生物因素有关，针对城市纳污河流还受城市污染源结构等众多因素影响，同时水体中DOM的荧光组分与非荧光组分比例不同也会影响荧光结果与化学指标的相关性，本文主要基于荧光有机组分对水体样品中有机质进行分析，因此针对洨河有机质与水质化学指标之间明确的关联性还应进一步深入研究. 3 结论

(1)通过三维荧光及同步荧光光谱对洨河水体DOM分析可知，水体中DOM由类蛋白及类腐殖质物质组成，同步荧光主成分分析发现主要组成为类色氨酸、 类酪氨酸、 类胡敏酸和类富里酸这4种. 代表支流的4种水体样品中均存在显著的类蛋白峰，S3、 S6水体中类蛋白峰浓度更高； 在S1、 S2水体DOM主要为类腐殖质，其中类胡敏酸为其主要组分. 干流水体中DOM呈现类蛋白逐渐减少，类腐殖质出现增加趋势.

(2)结合紫外光谱及三维荧光分析数据对水体中DOM相对分子质量大小及芳香性研究发现，支流S1、 S2水体中DOM主要为相对分子质量相对大、 芳香性强的有机物； S3、 S6水体中DOM组成更多为小分子量、 芳香性弱的有机物，同时其腐殖化程度相对S1、 S2较差. 干流水体中DOM随河流而下小分子、 易降解有机质被微生物降解，最终以难降解的类胡敏酸大量存在于水体.

(3)针对代表洨河支流的4座向洨河排放尾水的污水处理单位出水水质特征，建议S1、 S2加强对水体中相对难降解的类腐殖质物质去除，可添加或改进对大分子物质有较好去除效果的膜处理设备； S3、 S6应更多优化相关厌氧与好氧生物处理工艺，增加对易降解的类蛋白物质去除效果. 在对洨河水体中有机质的去除时，可通过降低水体中NH₄⁺-N与COD含量实现，对水体治理应注重氮素的控制.