基于投影寻踪的有机废弃物堆肥水溶性有机物荧光特性评价（英文）

水溶性有机物荧光特性是评价有机废弃物堆肥腐殖化程度的重要手段之一。针对现有方法大都局限于腐殖化程度的定性表征等问题,基于投影寻踪方法,该研究开展了堆肥腐熟程度分级评价的定量表征。通过对不同来源有机废弃物堆肥过程中样品水溶性有机物(DOM)荧光特性参数获取,采用统计分析表明,荧光参数I436/I383,FLR,PHA/Pro,A4/A1,r(A,C)两两之间显著相关(p0.01),可作为综合评价指标。在此基础上,确定完全腐熟(Ⅰ级)、较腐熟(Ⅱ级)、基本腐熟(Ⅲ级)、未腐熟堆肥(Ⅳ级)4个腐熟等级荧光参数取值区间。模型运算得到各等投影值分别为2.01~2.22(Ⅰ级)、1.21~2.0(Ⅱ级)、0.57~1.2(Ⅲ级)、0.10~0.56(Ⅳ级)。模型验证证实,各样品的实际腐熟度等级与模型所得到腐熟与未腐熟样品的评价结果准确率为100%,因此,该评价方法对有机废弃物的实际堆肥具有重要的指导意义。     

鸡粪堆肥有机质转化的荧光定量化表征

采用荧光分析技术和数学分析方法,对不同阶段鸡粪堆肥样品提取出的水溶性有机物进行了特征荧光参数定量化表征。结果显示：随着堆肥的进行,类腐殖质荧光峰与类蛋白荧光峰荧光强度的比值I₃₃₀/I₂₈₀、465 nm激发波长下发射光谱中470～640 nm范围内荧光积分面积A_470～640及240 nm激发波长下发射光谱中后四分之一波段与前四分之一波段的荧光强度积分面积比A_{435～480 nm}/A_{300～345 nm}均不断增大,表明堆肥腐殖化程度加大。三维荧光光谱显示,随着堆肥的进行类蛋白峰强度不断降低,而类富里酸峰强度不断增大,至堆肥结束类蛋白荧光基本消失;紫外区与可见区类富里酸峰荧光强度的比值r_{(A, C)}随着堆肥的进行总体呈明显下降趋势,但出现了较大波动。相关性分析显示,I₃₃₀/I₂₈₀,A_470～640及A_{435～480 nm}/A_{300～345 nm}两两间显著相关,而r_{(A, C)}受其他因素影响较大,与上述３个参数未达到显著相关水平。结果表明,I₃₃₀/I₂₈₀,A_470～640及A_{435～480 nm}/A_{300～345 nm}均能有效表征堆肥腐殖化进程。     

兴凯湖沉积物富里酸荧光特性研究

采集黑龙江省兴凯湖4个点位沉积物样品(样品号HXXD,HXXX,HXDX,HXDB),开展了沉积物富里酸(fulvic acid, FA)荧光特性研究。二维荧光光谱、三维荧光光谱均显示HXXD点位FA的主要荧光峰均出现在较长波长处。FA荧光光谱特征参数分析表明,各点位富里酸腐殖化程度为：HXXD>HXDX>HXDB>HXXX。其中HXXD点位FA以陆源输入为主,而其他点位FA则陆源与水生生物源并存。利用荧光区域积分(FRI)技术,对FA的三维荧光光谱5个区域(Ⅰ-Ⅴ)的荧光响应值比例(percent fluorescence response, P_{i, n})比较证实,所有点位类胡敏酸区域(Ⅴ区)的P_{Ⅴ, n}、类富里酸(Ⅲ区)的P_{Ⅲ, n}均占有较大的比例,同时采用三维荧光区域积分法判断各点位FA腐殖化程度与二维荧光特性结论一致。三维荧光光谱中r_{(A, C)}值与区域积分(FRI)中P_{Ⅴ, n}/P_{Ⅲ, n}及(P_{Ⅴ, n}+P_{Ⅲ, n})/(P_{Ⅰ, n}+P_{Ⅱ, n}+P_{Ⅲ, n})均具有显著的相关性,因此,r_{(A, C)}值是兴凯湖沉积物FA腐殖程度表征的一个方便、快捷的参数。     

不同物料堆肥腐熟程度的紫外-可见光谱特性表征

水溶性有机物(DOM)紫外-可见吸收光谱特性是评价堆肥腐熟度重要方法之一,但由于紫外-可见吸收光谱指标众多,单指标评价具有较大局限性。因此,本研究开展了影响堆肥腐熟度的关键紫外-可见光谱特性指标识别,并采用化学剂量学方法评价了不同来源堆肥腐熟程度。与传统单一物料评价相比,优选的评价指标及评价方法更具普适性。不同物料堆肥过程中DOM紫外-可见光谱特性分析结果表明,SUVA₂₅₄和SUVA₂₈₀值呈明显的增加趋势,E₂₅₀/E₃₆₅和E₄/E₆值呈相反的趋势,而A_226～400,S_275～295,S_350～400值则在堆肥末期变化显著。相关分析表明不同紫外-可见光谱参数(E₂/E₄和E₂₃₅/E₂₀₃除外)彼此之间相关性显著;主成分分析显示,DOM紫外-可见光谱指标A_226～400, SUVA₂₅₄, S_350～400, SUVA₂₈₀, S_275～295可作为堆肥腐熟程度关键影响评价指标。在此基础上,采用筛选的特性指标对堆肥末期进行聚类分析,可将九种不同来源堆肥分为两大类,第一类为猪粪、鸡粪、污泥、秸秆、园林垃圾、果蔬及生活垃圾等腐熟程度较低的堆肥;第二类为杂草和厨余腐熟程度较高的堆肥。     

填埋垃圾稳定化进程的光谱学特性表征

采用光谱分析技术,对4个不同填埋年限垃圾提取出的水溶性有机物(DOM)进行了研究,探讨DOM的荧光和紫外光谱变化特征在填埋场稳定度表征中应用的可能性。荧光光谱显示：填埋0年垃圾DOM以类蛋白物质为主,而填埋1,5,10年垃圾DOM以类腐殖质物质为主,并且随着填埋龄的延伸其紫外区和可见光区荧光峰强度的比值r_(A,C)及荧光指数f_450/500呈下降趋势;DOM的紫外吸收光谱也表明,随着填埋年限的延伸填埋垃圾DOM的分子量增大,腐殖化程度加强,单位水溶性有机物浓度DOM的254 nm紫外吸收值SUVA随着填埋龄呈上升趋势,但DOM在465及665 nm吸光度值的比E₄/E₆随填埋龄的变化规律不明显。因此,填埋垃圾DOM的r_(A,C),f_450/500及SUVA值可以有效地表征填埋场和填埋垃圾的稳定化进程。     

傅里叶变换红外光谱实时监测乳腺癌细胞化疗反应性的研究

应用傅里叶变换红外光谱技术监测乳腺癌细胞株MCF-7在化疗药物5氟尿嘧啶(5-FU)干预过程中相应的红外光谱变化,验证其与药物作用的时间和剂量相关性。对数据结果整理发现,在时间相关性方面,随药物作用时间的延长,乳腺癌细胞株MCF-7对脂类的利用率下降,细胞中脂类含量增加,同时肿瘤细胞分裂增殖受阻,细胞内DNA和RNA的含量降低,实验中观察到,48 h内,乳腺癌细胞MCF-7的红外光谱中代表脂类变化的峰强比I_{2 920}/I_{1 460}逐渐升高,I_{1 400}/I_{1 460}逐渐降低,代表细胞内核酸变化的峰强比I_{1 080}/I_{1 550},I_{1 240}/I_{1 550}逐渐降低;在剂量相关性方面,癌细胞红外光谱中峰强比I_{1 640}/I_{1 550}较正常升高,实验中观察到峰强比I_{1 640}/I_{1 550}随药物浓度的增加而呈现逐渐降低的趋势。以上这些变化与乳腺癌细胞在化疗药物干预过程中的生物学改变相符,可作为FTIR实时监测乳腺癌细胞化疗反应性的参考指标。     

甲状腺癌转移性淋巴结的红外光谱研究

联合运用衰减全反射(attenuated total reflectance,ATR)探头与FTIR光谱仪,测定了新鲜离体的甲状腺癌转移性颈部淋巴结20枚和非转移性淋巴结69枚的FTIR光谱,比较两组光谱13个谱带的峰位及相对峰强等28个指标,找出甲状腺癌转移性淋巴结光谱的特征。与非转移性淋巴结相比,转移性淋巴结光谱中与蛋白、脂质、糖类、核酸相关的谱带均发生了明显的变化,具体如下：(1)与蛋白质相关的谱带的相对峰强I_{3 280}/I1 460(P=0.029),I_{1 640}/I_{1 460}(P=0.019),I_{1 546}/I_{1 460}(P=0.004)均显著升高;(2)脂类相关的相对峰强I_{1 743}/I_{1 460}显著降低(P=0.026),而I_{1 400}/I_{14 60}则明显增高(P=0.001);(3)与糖类相关的1 165与1 120 cm-1处峰位P_{1 165}(P=0.019),P_{1 120}(P=0.000)发生明显蓝移(向高波数移动),相对峰强I1 165/I_{1 460}显著降低(P=0.006);(4)与核酸相关的1 085 cm-1处峰位P_{1 085}发生明显地红移(向低波数移动)(P=0.029);(5)其他指认未明的谱带的相对峰强I_{1 303}/I_{1 460}(P=0.008),I_{1 303}/I1 240(P=0.039)均明显升高。与非转移性淋巴结光谱相比较,甲癌转移的淋巴结光谱在多个谱带的峰位或相对峰强方面存在显著的差异。FTIR可应用于术中甲状腺癌转移性淋巴结的探测。     

基于PGNAA-XRF联合方法的铅汞混合样品检测的研究

瞬发伽玛中子活化分析(PGNAA)技术用于溶液中重金属元素原位检测时,由于样品成分复杂,中子俘获截面较大的中子毒物(汞)元素,对截面较小的元素(铅)检测精度干扰很大,因此分析精度相对不高。为实现混合样品中多种重金属的高精度原位检测,提出了一种提高热中子俘获截面较低元素检出限的PGNAA-XRF联合检测方法,设计了一套联合检测混合样品中重金属元素的装置;使用MCNP软件,根据重金属元素的特征γ射线和特征X荧光的计数对样品的尺寸进行优化,得到较合适的样品尺寸高度和半径分别为33和16 cm;并模拟研究了Hg和Pb混合样品中的不同浓度(c_i)对瞬发特征γ射线强度(I_γ)和特征X荧光强度(I_X)的影响,模拟结果表明该混合样品中,Hg和Pb元素的I_γ和I_X均与c_i成良好的线性关系,通过探测Pb的X荧光信息,克服混合样品中高低热中子俘获截面元素间的竞争问题,能显著的改善Pb的检出限,最后拟合给出了PGNAA-XRF联合检测方法的经验公式,计算得到该装置对Hg和Pb元素的检出限分别为3.89和4.80 mg·kg-1。     

镜泊湖水体水溶性有机物荧光特性研究

通过黑龙江省区域镜泊湖水体6个点位样品采集(样品号J1-J6),利用荧光检测技术,结合三维荧光光谱区域积分(FIR),研究了水溶性有机物(DOM)的荧光特性。传统荧光光谱显示J4和J5 DOM分子缩合度较高;三维荧光光谱显示J6点位DOM中类蛋白特征峰最为显著;对所有点位DOM的三维荧光光谱5个区域积分(A_Ⅰ,A_Ⅱ,A_Ⅳ：类蛋白区域;A_Ⅲ：类富里酸区域：A_Ⅴ：类胡敏酸区域)显示：所有点位DOM区域积分中A_Ⅴ区域占有比例最大,并且以J4和J5点位最高,J6点位最低。通过对腐殖酸区域(A_Ⅲ和A_Ⅴ积分比例之和)与类蛋白区域(A_Ⅰ,A_Ⅱ,A_Ⅳ积分比例之和)积分比值表明,J4(4.94)和J5(5.18)点位比值相近;J1(3.52)和J2(3.66)点位比值接近;最小值为J6点位(2.11)。综合以上分析证实,镜泊湖水体各点位DOM腐殖化程度为：J4,J5>J1,J2>J3>J6点位。     

氢化物发生-催化共振瑞利散射光谱法测定痕量砷

在硫酸介质中,以硼氢化钠(NaBH₄)为还原剂,可将As(Ⅲ)还原为砷化氢(AsH₃)气体使其逸出,用Ce(SO₄)₂-H₂SO₄-KI混合液做吸收液,在催化剂KI存在下四价铈与AsH₃气体反应生成具有共振瑞利散射(RRS)的砷微粒和具有荧光的三价铈,导致体系在370 nm处的RRS信号和在351 nm处的荧光强度增大。在选定条件下,As(Ⅲ)浓度分别在0.006～0.76 mg·L-1和0.006～0.28 mg·L-1范围内与RRS增加值ΔI和荧光强度增大值ΔF₃₅₁呈线性关系,检出限均为3.0 μg·L-1。据此可建立新的检测As(Ⅲ)的催化RRS和荧光光谱法。     

光谱校正对溶解有机物三维荧光光谱特征影响

在三维荧光光谱(EEM)测定中,由仪器直接记录的光谱(称为未校正光谱)由于受荧光光度计光源灯或探测器等波长特性的影响,并不是荧光物质本身的真实光谱,研究了光谱校正对腐殖酸和色氨酸EEM光谱特征以及传统寻峰法和新兴FRI分析法结果的影响,结果表明：校正后,Ex/Em=220～450/250～500 nm范围内荧光强度降低,Em<250 nm范围内荧光强度增大,腐殖酸荧光峰明显“蓝移”。基于寻峰法的荧光指数(FI)和腐殖化指数(HIX)明显减小,自生源指数(BIX)略增;基于FRI分析法的反映各区域标准体积百分比P_{Ⅰ, n},P_{Ⅱ, n}和P_{Ⅲ, n}明显上升,而P_{Ⅳ, n}和P_{Ⅴ, n}显著下降。因此,进行光谱校正是获得真实光谱谱图及光谱特征不可或缺的一部分。     

基于EEMs及PARAFAC的洪湖、东湖与梁子湖CDOM组成特征分析

国内外关于长江中下游地区如洪湖、东湖及梁子湖等大中型浅水湖泊DOM组成特征的分析较少,本文基于2007年9月—10月洪湖、东湖与梁子湖34个站点野外实地采样数据,运用三维荧光图谱(EEMs)与平行因子分析(PARAFAC)模型,着重分析了三个湖泊CDOM吸收荧光特性及组成特征。结果表明,CDOM在350 nm处吸收系数a(350)在三个湖泊表现为洪湖极显著高于东湖与梁子湖(p<0.001);三个湖泊CDOM光谱斜率S_280～500与a(350)呈极显著负相关(R2=0.781, p<0.001)且洪湖S_280～500值极显著低于东湖与梁子湖(p<0.01);光谱斜率比值S_R值也表现为洪湖显著低于东湖与梁子湖(p<0.05)。PARAFAC模型解析得到两个类腐殖质组分(C1, C2),两个类蛋白质组分(C3,C4),其中组分C1与C2呈极显著正相关(R2=0.884,p<0.001),组分C3与C4亦为极显著正相关(R2=0.677,p<0.001),这表明三个湖泊CDOM组分C1与C2,C3与C4来源相似,然而统计结果并未发现四个荧光组分与DOC及Chl-a浓度之间存在任何显著性相关关系。三个湖泊荧光指数FI₂₅₅(HIX),FI₂₆₅,FI₃₁₀(BIX)与FI₃₇₀值均表现为东湖显著高于梁子湖(p<0.05),极显著高于洪湖(p<0.01),这意味着东湖富营养化程度高于洪湖与梁子湖。     

三维荧光与神经网络研究城市河流沉积物孔隙水有机物组成与结构特征

应用三维荧光技术结合自组织神经网络方法,研究典型城市河流沉积物孔隙水中水溶性有机物(DOM)与颗粒性有机物(POM)组成结构及空间分布特征。自组织神经网络是一种非监督神经网络算法,能够从有机物三维光谱中提取不同的荧光组分,表征各组分的含量。沉积物是重要的有机碳库,而沉积物孔隙水中有机物的多寡可直接反映其环境特征。人们对水体中沉积物孔隙水中的DOM与营养盐特征的研究较多,而对POM的研究较少,尤其对重污染城市支流河的研究更少。因此,选取沈阳市白塔堡河为研究对象,沿河源、农村、城市区域河段采集沉积物孔隙水样品,提取DOM与POM,检测样品的三维荧光光谱。DOM的f_450/500值为1.82～1.91,表明DOM主要是微生物源;POM的f_450/500值为1.42～1.68,表明POM主要以陆地输入为主。自组织神经网络解析DOM与POM含有类酪氨酸、类色氨酸、类富里酸与类胡敏酸等物质,类酪氨酸主要源于新鲜的具有高氧化的类蛋白物质,而类色氨酸主要为微生物代谢产物。DOM的各组分丰度之和为POM的2倍,类酪氨酸平均相对丰度在50%以上,类色氨酸的平均相对丰度为18.8%～23.1%,类富里酸相对丰度比类胡敏酸的高,但两者在有机物组分所占比重小。通过主成分分析,DOM与POM特征呈现沿河源、农村、城市区域河段变化,表明白塔堡河深受人类活动的影响。     

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。     

径流污染对城市污水处理过程的DOM荧光特性影响研究

结合污水处理流程,分别采集重庆市某污水厂晴天和雨天的污水,用三维荧光光谱分析了污水中的溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)的荧光特性。结合DOM的DOC ( dissolved organic carbon, DOC)、COD(chemical oxygen demand, COD)、荧光指数(f_450/500)和紫外区富里酸和可见区富里酸的荧光强度比值r(A, C)的变化特征,分析了雨天径流污染对污水DOM 的影响。实验表明：该污水厂DOM的荧光指纹与典型城市生活污水有较大差异,主要成分为低激发波长类色氨酸(Peak S), 长激发波长类色氨酸(Peak T)次之;A2/O工艺对雨天和晴天的类蛋白物质的去除效果相当,但是雨天的类富里酸以及DOC和COD的去除率较晴天高, 经过生化处理后的荧光峰均发生细微的红移;晴天和雨天污水的DOM 荧光指纹差异明显,雨天紫外富里酸(Peak A)荧光中心由晴天的240～248/390～440 nm蓝移到240～250/370～400 nm。虽然晴天和雨天的DOM种类相同,但是雨水径流使富里酸的来源复杂,组分比例发生了较大变化,雨天色氨酸(Peak S)的比例下降了10%,紫外富里酸(Peak A)的比例上升7%。     

制革废水处理过程溶解性有机物的光谱特性研究

制革工业是我国国民经济的传统产业,制革废水已成为工业废水的重要组成部分。现阶段对于制革废水的研究多关注于进水和出水的水质状况,对于废水处理过程溶解性有机物(DOM)的转化规律和净化行为涉及很少。通过紫外光谱和三维荧光光谱跟踪识别制革废水不同处理工段水体DOM的生成特性,尝试建立总荧光强度与水质参数的线性关系。结果表明：废水DOM的吸光度随着紫外波长的增加先上升后下降,最大吸收峰位于230 nm附近。A₂₅₃/A₂₀₃比值和SUVA₂₅₄的参数值先增大后减小,暗示了废水游离取代基和芳环取代基种类和数量的变化。废水原水荧光峰主要出现在λ_ex/em=320～350/440～460和λ_ex/em=270～300/390～420区域,分别归属为可见光区类腐殖酸荧光峰和可见光区类富里酸荧光峰。随着废水处理过程的进行,相继检测到类腐殖酸荧光峰蓝移(水解酸化池)、类色氨酸荧光峰(λ_ex/em=290/340,二级生化池)、弱荧光峰(λ_ex/em=350/520,四级生化池)以及荧光特性趋于稳定(二沉池和出水口)等现象,证实了废水有机物的降解特性和生成规律对荧光图谱的影响。制革废水总荧光强度去除率与总有机碳去除率的线性关系更好,相关系数r为0.835 5。紫外光谱和荧光光谱能在一定程度上揭示制革废水的净化规律和机制。     

猪粪堆肥过程中水溶性有机物结构演变特征

水溶性有机物(DOM)所在的固-液交界面是化学反应和微生物活动最活跃的部分。DOM中存在具有氧化还原作用的含氧芳香性官能团,使得DOM能影响有机污染物和重金属污染物迁移与转化。堆肥物料猪粪含有丰富且有利于微生物生长的氮元素,其DOM结构变化可能具有一定的独特性。本研究选取8个不同阶段的猪粪堆肥样品,提取其中的DOM,利用紫外-可见光光谱和三维荧光光谱等现代光谱学方法,并结合基础理化指标解析猪粪堆肥DOM的结构和组分演变特征。在堆肥过程中可溶性有机碳和总有机碳分别降低了58.88%和16.30%,说明可溶性有机碳的降解速率要高于不可溶性有机碳。紫外-可见光光谱特征值SUVA₂₅₄,SUVA₂₈₀和E₂₅₃/E₂₀₃均随着堆肥过程呈现出逐渐增加的趋势,表明堆肥过程DOM芳香性升高,大分子有机质含量增大,芳环取代基中含氧基团增多。基于三维荧光光谱体积积分中类酪氨酸、类色氨酸和微生物代谢产物的百分比分别从15.96%,18.14%和25.45%降低至5.53%,11.27%和17.96%,而类胡敏酸和类富里酸的百分比则分别从17.67%和22.77%增加至20.62%和44.62%,这一方面是由于DOM中各有机质组分中类蛋白物质降解速率比类腐殖质物质快,另一方面是由于随着堆肥进行一部分类蛋白物质会转化为类腐殖质物质。研究结果可为调控生产稳定化、无害化的堆肥产品提供科学依据。