三维荧光光谱-平行因子法解析再生水补给人工湿地DOM的光谱特征

采用三维荧光光谱技术和平行因子分析,对北方某潜流-表流复合人工湿地水体中溶解性有机质（DOM）的光谱特征、演变过程及其来源进行研究,以期为深入理解人工湿地的作用机理和污染物溯源提供科学依据。结果表明,人工湿地中各阶段的出水呈现相似的三维荧光特性,均出现明显的类腐殖质尖峰和类蛋白峰,但强度有所不同。混凝沉淀对类蛋白和类腐殖质两种DOM的荧光强度均有一定的削减作用;潜流湿地出水的荧光图谱显示,微生物代谢副产物和类色氨酸等类蛋白峰强度明显降低,而类腐殖质峰强度无明显变化,这表明潜流湿地对再生水中的类蛋白物质具有明显的降解作用,而对类腐殖质物质降解效果较弱;相反,在表流湿地出水的荧光图谱中发现类蛋白峰和类腐殖质峰的强度均削弱,而且在表流湿地下游3 km处的强度达到最低。这一趋势归因于潜流湿地中滤料表面生物膜对DOM的生物降解以及表流湿地内部活跃的微生物活动和水生植物的根系对DOM的吸附作用。平行因子分析结果显示,该湿地水体DOM中包含5个荧光组分,分别为类富里酸组分C1（240, 330/430 nm）、微生物活动相关的类腐殖质组分C2（285, 330/380 nm）、类色氨酸C3（230/350 nm）、微生物代谢副产物C4（280/320 nm）和陆源类腐殖质C5（270, 380/470 nm）。采用多种荧光光谱指数对湿地中DOM的来源进行解析,荧光指数和自生源指数均表明该湿地中DOM的来源以生物代谢输入为主,而陆源输入的影响较小;腐殖化因子则表明该湿地存在弱腐殖化的特征且生物来源占主导地位。斯皮尔曼相关性分析表明5个荧光组分具有同源性,而且与水中氮元素的迁移转化密切相关。     

河北洨河人工湿地水体溶解性有机物性质的演化过程研究

联合三维荧光光谱、紫外光谱和化学还原法,对洨河人工湿地水体DOC与COD的变化特征以及溶解性有机物(DOM)的来源、化学结构、腐殖化程度与氧化还原性质进行研究,以期为深入揭示DOM在人工湿地中的地球化学行为及其生态环境效应提供科学依据。结果显示,河流水体COD 60%以上来自DOC的贡献,而其经过人工湿地后含量的降低则主要是由有机物中的N,H,S,P元素更容易被去除所导致的,其贡献率可达65%。f_470/520与BIX两种指数共同指示了水体DOM主要由微生物贡献,表明水体DOM明显受到微生物的降解作用。三维荧光光谱PARAFAC模型分析显示,人工湿地水体DOM包含类蛋白和类腐殖质组分,其中类富里酸和类胡敏酸组分比类蛋白质组分更容易被降解,类富里酸与类胡敏酸组分具有相似的分解命运。有色溶解性有机物(CDOM)与荧光溶解有机物(FDOM)具有共源性,均主要由类腐殖质组成,二者进入人工湿地后没有产生选择性降解。水体进入人工湿地后E₂/E₃,A_240～400,r_{(A, C)}与HIX指标没有发生显著变化,表明人工湿地对水体DOM的腐殖化程度不会产生显著影响。然而,人工湿地环境不仅有利于形成还原态的DOM,促进水体三价铁的还原,而且可以提高DOM作为电子穿梭体的能力,这可能与DOM的芳香性碳在人工湿地中能够得以更好保存有关。     

洱海上覆水DOM荧光特征及对富营养化的指示意义

湖泊溶解性有机物（DOM）组成特征对水质具有重要的影响,研究上覆水DOM组成特征对指示湖泊富营养化现状具有重要意义。采用荧光光谱区域体积积分分析法（FRI）定量分析洱海上覆水DOM组分时空变化,以及DOM组分与水质因子间的关系,对比分析不同来源入湖水体、不同富营养化程度高原湖泊上覆水DOM组分荧光特征。结果表明,洱海上覆水体DOM主要以类腐殖酸为主,其次为类富里酸,洱海DOM总量及类腐殖酸组分中部较高,色氨酸和络氨酸等类蛋白质DOM南部较高,类富里酸DOM北部较高。藻华易发期（10月）类蛋白质和类富里酸DOM较低,类腐殖酸DOM显著增加,DOM生物源降低,DOM生物活性降低。洱海沉积物内源释放和入湖河流主要影响上覆水中类腐殖酸DOM,湿沉降主要增加类蛋白质DOM。在湖泊贫营养阶段类富里酸DOM对水质影响较大,在富营养阶段类腐殖酸DOM对水质影响较大。随着湖泊富营养化程度的加剧,上覆水类蛋白质和类富里酸DOM所占比例呈下降趋势,微生物降解产物和类腐殖酸DOM所占比例呈增加趋势。DOM荧光组分占比变化对湖泊富营养化具有指示作用。     

武汉市不同类型天然水体中溶解性有机质的三维荧光光谱特征

基于三维荧光光谱（3D-EEM）技术,结合荧光区域积分法（FRI）和荧光特征参数,研究了武汉市4种不同类型（河流、湖泊、水源水、雨水）的天然水体中溶解性有机质（DOM）的三维荧光光谱特征,并和近十年武汉东湖相关的研究数据进行了比对。结果表明,5种荧光组分均有检出,分别为类酪氨酸荧光组分（C1）、类色氨酸荧光组分（C2）、类富里酸荧光组分（C3）、溶解性的微生物代谢物类荧光组分（C4）和类腐殖酸荧光组分（C5）。从荧光特征上来看,水质较差、存在轻中度富营养化、受污染较重的湖泊类水样中C1、C2和C3组分的荧光强度最高,相对较清洁的水源水、雨水与作为对照的自来水中DOM的荧光组分相似,仅C5组分存在差异;从DOM的来源上看,武汉市内不同类型天然水体中DOM具有显著的陆源（陆生植物和土壤有机质等）为主、内源（微生物、藻类等）为辅的混合输入特征;河流、湖泊、雨水和水源水中DOM的陆源组分占比均值分别为46.2%,56.4%,54.2%和51.6%,内源组分占比均值分别为12.3%,10.1%,10.4%和9.7%。相关性分析表明,C1,C2和C3组分之间具有显著的相关性（R2>0.98）,主要来自陆地来源,具有同源性;C4、C5组分分别和总磷（TP）、总有机碳（TOC）之间具有较强的正相关性（R2>0.73）。与历史数据进行对比分析发现,近10年武汉东湖湖水中DOM的陆源组分（类酪氨酸、类色氨酸、类富里酸）呈逐步上升的趋势,但是在2020年东湖湖水DOM组分的陆源组分骤降,类腐殖酸和微生物代谢组分明显上升。     

水库型河流溶解有机物三维荧光光谱的平行因子分析

利用三维荧光光谱(EEMs)并结合平行因子分析(PARAFAC)模型,研究了2008年6月水库型河流闽江中溶解有机物(DOM)的荧光组分特征及其分布变化,以探讨河流DOM的来源、动力学过程及主要控制因素。闽江DOM包括类腐殖质组分C1(<250,325/424nm)、C2(270,395/482nm)与类蛋白质组分C3(<250,280/358nm)等三种荧光组分,其中类腐殖质组分占绝对优势。利用荧光组分可对上游三条支流之间的混合进行灵敏的指纹示踪。闽江干流DOM荧光组分的含量基本一致,反映了大型水库修建对闽江有机碳循环尚未产生显著影响。利用相关和主成分分析揭示出闽江类腐殖质组分主要来源于流域土壤的冲刷,它与吸收系数a(355)之间的关系密切;而类蛋白质组分主要在水环境中产生,可用于示踪水体中总溶解氮(TDN)的变化。利用荧光组分的多元线性回归可有效地对溶解有机碳(DOC)的含量进行示踪,表明EEMs-PARAFAC是研究河流DOM动力学过程的重要手段。     

pH值对滇池水体溶解性有机质(DOM)光降解作用的影响

运用紫外光谱、三维荧光光谱技术结合平行因子分析法（PARAFAC）探讨了pH值对滇池水体环境中溶解性有机质（DOM）光化学降解特性（紫外光谱特征、荧光组分及其荧光强度）的影响。掌握了不同pH值条件下DOM光化学降解特性及其差异性,可为DOM的生物地球化学循环基础数据提供有利支撑,同时对富营养化湖泊水质改善和有效控制具有重要的启示作用。结果表明,在光降解发生过程中（0～30 d）,DOM被识别出具有三个主要荧光组分,分别为长波类富里酸组分C1（325,425 nm）,类蛋白类组分C2（295, 390 nm）和具有高芳香度特性的类腐殖质组分C3（260/350,360/450 nm）;pH值的变化对DOM光降解过程中的紫外光谱和三维荧光光谱特征均产生重要影响;当pH值从4.0增加到9.0,DOM的紫外吸光系数随pH值增大而增大,总荧光强度随pH值增加而逐渐下降;类蛋白组分C2从降解的第8天开始,其荧光强度也表现出随pH值增加逐渐下降的趋势,这表明高pH值能够促进水体DOM的光降解作用。鉴于pH值能够对DOM光降解过程及其紫外光谱和三维荧光光谱特征产生重要影响,研究认为,对比不同来源DOM（自然水体、DOM提取物等）的紫外光谱、三维荧光光谱和平行因子分析结果时,应监测并报告DOM溶液的pH值,pH值应尽量保持一致,以保证结果的可比性。     

不同浓度猪、奶牛粪水中温厌氧发酵沼液中DOM的光谱特征

养殖粪水中物质的组成变化决定其潜在的环境效应,溶解性有机质（DOM）是养殖粪水的重要组成部分。研究对总固体浓度（TS）分别为4%和8%的猪、奶牛粪水进行批次中温厌氧发酵试验,分析了猪粪和奶牛粪沼液中DOM的含量变化,并结合三维荧光光谱（3DEEM）和平行因子分析法（PARAFAC）,解析沼液DOM的荧光光谱特性及组分变化特征。结果表明,中温厌氧发酵结束后,沼液中DOM含量均极显著（p＜0.001）降低。沼液DOM主要包含类酪氨酸、类富里酸、类色氨酸和类胡敏酸4种荧光组分,其中类胡敏酸的相对含量均显著（p＜0.05）增加,但类富里酸的相对含量仅在TS为8%的处理中增加,而在TS为4%的处理中降低。沼液DOM的腐殖化指数均极显著（p＜0.01）增加,但猪粪沼液DOM的腐殖化程度明显高于奶牛粪沼液。研究结果为畜禽粪便沼液农田利用的潜在环境效应评价提供理论支撑。     

不同辅料与生物沥浸深度脱水污泥混合堆肥中溶解性有机质的光谱特征研究

生物沥浸深度脱水污泥为主料,四种农林有机废物为辅料,设4个处理组（T1：污泥+甘蔗渣、T2：污泥+秸秆、T3：污泥+米糠、T4：污泥+木屑）进行混合堆肥,采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和三维荧光光谱(3D-EEM),研究不同辅料堆肥过程中溶解性有机质（DOM）结构特征和组分含量的演化规律。UV-Vis结果显示,四个处理组在堆肥过程中DOM的芳香度和不饱和度皆有所增加,其中T3处理组的增加幅度最大。四个处理组的紫外参数SUVA₂₅₄和SUVA₂₈₀均呈现递增趋势,其中T3处理组的变化幅度高于其他三个处理组,表明芳构化程度加深,DOM分子量逐渐加大;E₂₅₃/E₂₀₃和E₂₅₃/E₂₂₀在堆肥结束时显著增加,表明DOM中苯环上的脂肪链发生氧化分解,转化为羧基羰基等官能团,A_226～400随堆肥进行增加而E₂₅₀/E₃₆₅减小,表明共轭程度增加。FTIR结果表明堆肥过程中多糖类、脂肪族类物质含量在减少,包括带有苯环的芳香族等不饱和有机物在增加,其中T4处理组的转化程度优于其他三个处理组。发射荧光光谱显示荧光峰位置由334 nm红移至422 nm附近,说明共轭程度低的物质不断降解,芳香基团不断缩合,生成结构复杂的类腐殖质物质。同步荧光光谱中代表类蛋白物质的荧光峰随堆肥时间由强变弱,代表腐殖质的荧光峰由弱变强,A_250～308值降低,A_308～360和A_363～500值上升,说明了类蛋白质物质在不断降解而类胡敏酸物质和类富里酸物质含量在上升。结合平行因子（PARAFAC）模型分析四个处理组的三维荧光光谱,将DOM解析为三类荧光组分,根据每个组分所在的激发、发射波长位置分析判断,三类组分分别是类富里酸物质,类胡敏酸物质和类色氨酸物质,且C1（类富里酸物质）和C2（类胡敏酸物质）组分所占百分比呈现增加趋势,C3（类色氨酸物质）组分所占百分比呈现减少趋势,表明类蛋白物质减少而类腐殖质物质增加,其中T3和T4处理组的腐殖化程度较好。综合分析,米糠和木屑作为辅料时堆肥腐熟度更好。     

不同水文情形下巢湖有色可溶性有机物来源及分布特征

于2018年1月(枯水)、4月(平水)、7月(丰水)对巢湖开展野外观测,探讨不同水文条件下有色可溶性有机物(CDOM)的光谱组成结构及分布特征。结果表明丰水期巢湖溶解性有机碳(DOC)均值(3.90±0.40) mg·L-1与枯水期均值(3.89±0.19) mg·L-1无显著差异(t-test, p>0.05),丰水期S_275～295均值(21.48±1.56) μm-1显著大于枯水期均值(19.24±0.98) μm-1(t-test, p<0.001)。平行因子分析得到了4个荧光组分,分别为短波类腐殖质组分C1、类色氨酸组分C2、类酪氨酸组分C3和长波类腐殖质组分C4。TP,TN,Chl-a和DOC浓度与短波类腐殖质组分C1、长波类腐殖质组分C4都呈显著正相关(p<0.01);DOC与类色氨酸组分C2也存在一定正相关(p<0.05)。此外巢湖CDOM的组成与来源有明显的季节差异性,丰水期陆源类腐殖酸输入是巢湖西部湖区CDOM库主要贡献源;平水期湖泊藻类生物降解为重要贡献源。为有效保护巢湖水质,应对十五里河及南淝河流域实施一定的管控措施。     

不同来源水体有机综合污染指标的三维荧光光谱法与传统方法测量的对比研究

比较研究了科学岛、巢湖和太湖不同来源水样的三维荧光光谱、COD值和DOC值.结果表明巢湖过滤水样COD值与DOC值线性相关(r=0.928 9);三维荧光光谱法测得的科学岛水样溶解有机物(DOM)浓度、类蛋白荧光强度(Ipro-like)、类腐殖质荧光强度(Ihum-like)均与COD值线性相关(r分别为0.821 72,0.84651和0.836 89);而三维荧光光谱法测得的巢湖和太湖水样的DOM浓度、Ipro-like和Ihum-like则与COD值无明显线性关系.上述结论与前人研究结果产生分歧,文章对原因进行了分析,并阐述了利用荧光光谱法测量水体有机污染综合指标的可行性和必要前提.     

大沽河流域地下水溶解有机物的三维荧光光谱特征

利用三维荧光光谱研究了大沽河流域地下水中溶解有机物(DOM)的荧光组分类型及其空间分布与变化,并与地表河水进行了比较。基于平行因子分析模型在大沽河流域识别出2个类腐殖质组分及1个类蛋白质组分。研究区域上、下游地下水中各荧光组分的强度低,但中游区域呈现高值区,与人为污染的下渗输入以及为阻止海水入侵而修建的截渗墙对地下水循环模式的改变有关。地下水DOM以类腐殖质组分为主,类蛋白质组分平均只占15%,不及地表河水的一半,其新鲜度指数(β/α)也低于河水但荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)高于河水,表明地下水DOM的腐殖化程度更高,与地下水停留时间长、微生物降解作用的贡献更为显著有关。本研究揭示,三维荧光指纹技术可区分天然背景及人为活动对地下水中DOM含量及性质的影响,是研究地下水环境中的碳循环过程及其影响因素的有用工具。     

交替冻融对黑土可溶性有机质荧光特征的影响

土壤可溶性有机质(DOM)是土壤有机质研究中最有意义的量化指标,交替冻融作用能够影响土壤DOM的荧光特征.文章利用三维荧光分析交替冻融对黑土DOM光谱特征的影响,并基于光谱特征的改变,评价交替冻融对黑土活性腐殖质和腐殖程度的影响.研究表明,与未冻融样品相比,冻融样品DOM的紫外区类富里酸荧光峰发生红移,说明土壤中有机物分子芳香化程度增高,腐殖程度上升;部分冻融样品产生了类蛋白荧光峰,说明冻融过程中微生物降解活动增强;冻融样品的活性腐殖质含量和腐殖程度均较未冻融高,说明交替冻融作用增加了土壤肥力;紫外区类富里酸荧光峰值与可见区类富里酸荧光峰值的比值(r(a,c))与活性腐殖质含量之间、r(a,c)与腐殖程度之间,都存在显著的正相关关系(相关系数分别为0.88,0.77),说明r(a,c)可以评价黑土冻融后土壤活性腐殖质含量和腐殖程度的变化.     

3DEEM和PARAFAC的猪场废水DOM组成特征分析

猪场废水中物质组成与其潜在的环境效应密切相关,研究废水中有机物的组成特征将可为制订科学的资源管理措施提供理论依据。通过采集江西省余江县不同养殖规模(以年出栏量计)的吴杨高(WYG,2 000头)、成林牧业(CL,5 000头)、万谷(WG,20 000头)和正邦(ZB,24 000头)等猪场自然氧化塘内的养殖废水,运用三维荧光(3DEEM)和平行因子分析(PARAFAC)模型研究废水中可溶性有机物(DOM)组成及其荧光特性。结果表明,成林和吴杨高猪场废水中化学需氧量(COD)、全氮(TN)、氨氮(NH+₄)以及可溶性有机碳(DOC)浓度均显著高于万谷和正邦猪场。通过3DEEM和PARAFAC建模发现,猪场废水中可溶性有机物(DOM)主要有三个组分,其中包括两个类蛋白质组分(C1,C2)和一个类腐殖质组分(C3)。线性拟合结果表明,C1分别与C2,C3组分荧光强度间呈极显著正相关,表明不同组分间可能具有相同的物质来源或变化趋势。与养分浓度变化趋势一致,成林和吴杨高猪场DOM组分的荧光强度显著高于万谷和正邦。此外,C1和C2组分对猪场废水中DOM总的贡献率依次为成林(89.7%),吴杨高(87.9%),万谷(77.5%)和正邦(72.9%),而C3所占比例分别为成林(10.3%),吴杨高(12.1%),万谷(22.5%)和正邦(27.1%)。可见,废水中类蛋白质组分比例明显高于类腐殖质组分。与此同时,荧光指数(FI₃₇₀)和腐殖化指数(humification index, HIX)的变化趋势,整体表现为正邦和万谷猪场显著高于成林和吴杨高猪场。Pearson相关性分析表明,不同的荧光指数受环境指标的影响存在一定差异,COD与DOC浓度分别与DOM组分荧光强度间呈极显著相关性。综上,不同的规模化猪场废水中养分水平在一定程度上影响着DOM组成和荧光特性的形成。     

海草生态系中DOM的三维荧光光谱特征

利用荧光激发-发射矩阵光谱(EEMs)技术研究了海南省陵水县新村湾海草生态系中溶解有机物(DOM)的三维荧光光谱特征。EEMs谱图表明,海草生态系中的DOM存在3个类腐殖质荧光A(230/430 nm),C(350/440 nm),M(300/380～400 nm)和2个类蛋白质荧光R(230/355～375 nm),N(280～300/365～380 nm)。各荧光信号平均荧光强度的变化规律为R(0.304 RU)>A(0.194 RU)>M(0.147 RU)>N(0.125 RU)>C(0.051 RU)。类腐殖质荧光和类蛋白质荧光均表现为离岸近含量高;2个明显的低值区,分别出现在该湾海草茂密的西南部和东南部。各荧光信号在该湾的分布特征表明,控制类腐殖质荧光和类蛋白质荧光的动力学因素相同。荧光N与M和R之间以及荧光C与A之间具有较好的正相关关系,表明这些荧光具有相同的来源属性及地化行为。较高的荧光指数FI(均值为1.81)、较高的自生源指标BIX(均值为1.44)和较低的腐殖化指标HIX(HIXa和HIXb的均值分别为4.2和0.81)均表明海草生态系中DOM的强自生来源贡献和弱腐殖化程度。研究结果表明,海草生态系中DOM具有非常独特的荧光特征,不同于其他水生生态系。     

三维荧光结合平行因子分析在东海溶解有机物研究中的应用

利用三维荧光光谱（EEMs）结合平行因子分析（PARAFAC）,研究了东海夏、秋两季溶解有机物（DOM）的荧光组分特征,并对其种类、分布和来源进行了分析和讨论。共识别出三个荧光组分,分别为类蛋白荧光组分C1（235, 280/330）、陆源或海源类腐殖质组分C2(255, 330/400)以及陆源类腐殖质组分C3（275, 360/480）。两个类腐殖质组分C2和C3之间呈显著正相关,表明他们有相同的来源或在结构上存在某种联系。三组分在两个季节不同水层的分布总体呈现近岸高,远海低的特点。各组分与叶绿素a和盐度的关系表明调查海域的DOM受现存浮游植物的直接影响很小,夏季长江输入是长江口三组分的重要来源,而秋季受长江输入的影响减弱。本研究显示了三维荧光与平行因子分析相结合在海洋溶解有机物的研究中具有很好的应用前景。     

秸秆-牛粪发酵过程中溶解性有机质的荧光光谱特征

溶解性有机质(DOM)在自然生态系统有机物向无机物的转换过程中起重要作用。DOM在发酵过程中为微生物提供营养和能量,同时对腐殖质的迁移和转化具有重要的指示作用。牛粪有助于提高玉米秸秆腐殖化效率,使农业废弃物得以更好的利用。为探讨玉米秸秆-牛粪体积比2∶8(T1)、4∶6(T2)、6∶4(T3)和8∶2(T4)处理发酵过程中DOM的特征,采用三维荧光光谱-平行因子分析法,分析发酵底物中DOM的荧光组分;通过荧光指数(FI)和自生源指数(BIX)来表征DOM的来源,用腐殖化指数(HIX)分析发酵物料的腐殖化程度,并分析DOM各组分间最大荧光强度的相关性。结果表明：4个处理过程中DOM来源受自生源和外生源的共同影响(FI>1.4,0.8类富里酸>类胡敏酸。类富里酸和类胡敏酸之间呈现极显著正相关。基于此,根据DOM荧光光谱特性,为提高玉米秸秆在有机物料发酵中的利用率,秸秆-牛粪体积比为6∶4可作为实际堆肥的参考值。