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。     

溶解有机质的三维荧光光谱特征研究

利用三维荧光光谱研究了河流、湖泊等不同来源溶解有机质(DOM)的荧光光谱特性。河流DOM的三维荧光光谱图中含有类富里酸荧光峰A和C以及类蛋白荧光峰B和D,一般而言,类富里酸荧光峰强度比较大,或者只有类富里酸荧光,但是受人类活动污染河流DOM的三维荧光光谱图中具有极强的类蛋白荧光。同样,红枫湖DOM可以由陆源输入,还可以由水体内微生物活动产生,具有4个荧光峰,受人类活动影响比较显著的百花湖DOM则表现出强的类蛋白荧光。贵阳市地下水中DOM含量相对较低,一般只含有类富里酸荧光峰,但是若受生产生活污水污染,也可检测出强的类蛋白荧光峰。考察DOM含量(以DOC表示)与类富里酸荧光强度(peak C)以及在254 nm处紫外吸收光谱强度的关系时发现它们都具有良好的线性相关关系(r2＝0.82和0.95),而紫外区类富里酸荧光与可见区类富里酸荧光之间也存在良好的线性相关关系(r2＝0.96)。此外,pH对DOM的三维荧光光谱具有显著影响,并且类富里酸荧光峰A和C的pH值效应基本一致,荧光强度最大值出现在pH 10左右,类蛋白荧光峰B的pH值效应与之略有区别,荧光强度最大值出现pH 8.5左右。     

pH值对雨水中溶解有机物荧光光谱特征的影响

利用三维荧光光谱研究了pH值改变对雨水中溶解有机物(DOM)荧光组分及荧光指数的影响。2009年夏季在厦门湾采集了一个具有正常pH值的雨水样品,利用平行因子分析(PARAFAC)识别出雨水DOM具有6个荧光组分,包括4个类腐殖质(C1,C3,C4和C5)、1个类蛋白质(C2)以及1个未知组分(C6)。当pH值从初始的5.7增加到10.7,C1,C3和C5的荧光强度均呈增加趋势,而C4及C6的荧光强度则不断减小,导致类腐殖质组分所占比例不断增大;而当pH值减小、酸性增强时则呈相反的变化趋势,且未知组分C6所占比例占优势。类蛋白质组分C2的荧光强度及所占比例随pH变化基本保持不变。荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)和自生源指标(BIX)也都受到pH值变化的影响。本研究表明,在雨水DOM光谱研究中,应同时测定、报道样品的pH值以便评估雨水荧光特性的"pH效应"。     

氧化还原条件变化对上覆水体中溶解有机质的三维荧光光谱特征影响

利用三维荧光光谱(3EEMs)技术,考察了不同氧化还原条件对上覆水体中溶解有机质的三维荧光光谱特征的影响。好氧条件下上覆水体中DOM的荧光指数要高于厌氧条件,说明在不同的氧化还原条件下,上覆水体中DOM来源和组成均存在一定的差异性。上覆水体的三维荧光光谱特征也存在显著差异:好氧条件下,上覆水体中的类蛋白荧光峰强度均高于腐殖质类荧光峰强度,且三维荧光光谱图显示腐殖质类DOM存在氧化降解现象。厌氧条件下,上覆水体中腐殖质类荧光峰的强度随培养天数逐渐增加,当厌氧培养时间为21 d,C和D荧光峰的强度已分别上升至初始的3.51和3.78倍。在不同的氧化还原条件下,类蛋白和类腐殖质类DOM荧光峰位置和强度的变化,表明不同类型DOM的生物可利用性程度和在沉积物-水界面间迁移转化特征的差异性。     

基于光谱特征的pH对溶解态有机质与铜相互作用的影响研究

环境条件的变化能够影响和改变溶解态有机质(DOM)的组成结构及化学特征,进而影响其生物地球化学循环过程。采用同步荧光光谱、三维荧光光谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR),结合二维相关光谱分析方法,研究了pH条件变化对DOM特性及其与Cu²⁺相互作用的影响。结果表明,(1)随着pH值由5逐渐升高至10, DOM不同组分的荧光强度显著增强,其中类腐殖酸组分变化最显著,类富里酸组分变化最优先,这是由于pH的变化引起的醛酮、酚基、羧基等相关基团暴露导致的。(2)荧光光谱二维相关分析表明,pH的改变能够显著地影响DOM不同组分与Cu²⁺的结合能力,但并不能影响其结合顺序。三维荧光光谱结合平行因子分析共解析出3个荧光组分,荧光组分的淬灭曲线非线性拟合结果更是定量验证了这一结果。(3)FTIR结果表明高pH条件下DOM与Cu²⁺结合点位更多,结合强度更强。pH 5和pH 10条件下DOM官能团与Cu²⁺的结合顺序分别依次为：多糖C—O>酚基>醛酮CO>芳香族C—H和多糖C—O>酰胺Ⅱ带C—N...     

太阳辐射对溶解有机质荧光光谱特征的影响

利用三维荧光光谱研究了太阳辐射对溶解有机质(DOM)荧光光谱特征的影响。实验结果表明,太阳辐射使DOM的荧光发射光谱强度减弱。在三维荧光光谱图中,红枫湖样品的荧光峰A,C,南明河样品的荧光峰A,B,C,尤其是荧光峰C的λ_Exmax／λ_Emmax位置随着太阳辐射时间的延长而逐渐向短波长移动。从腐殖酸样品的三维荧光光谱图中则发现,原始样品荧光峰位置出现在λ_Ex／λ_Em=275/500 nm处,光照作用后出现两个荧光峰：λ_Ex／λ_Em=245/450 nm和310/450 nm。太阳辐射对DOM中不同荧光组分的光降解速率存在差异,从荧光峰A和C的比值r(A, C)随太阳辐射时间的变化趋势得知,荧光峰C比荧光峰A的荧光丢失速率更大,即对于太阳辐射作用更敏感。在整个光降解过程中,红枫湖、南明河DOM的r(A, C)值比标准腐殖酸Fluka HA的r(A, C)值的变化更显著。通过本研究表明,可以利用三维荧光光谱所提供的完整的光谱信息来研究DOM在光降解过程中的光谱特征以及物理化学组成等变化。     

小麦秸秆堆肥水溶性有机物的结构和组成演变

堆肥是小麦秸秆资源化利用重要的途径之一,然而目前关于秸秆单一物料堆肥的研究较少。水溶性有机物（DOM）被普遍认为是堆肥中最活跃的有机组分,因此探讨DOM的演变特征可有效评价秸秆的腐熟过程。以小麦秸秆好氧堆肥过程中的DOM为研究对象,利用总有机碳、紫外-可见光光谱（UV-Vis）、三维荧光光谱（EEM）结合平行因子（PARAFAC）分析方法,阐明小麦秸秆堆肥过程中DOM的含量、结构和组成的演变特征。结果表明：堆肥过程中DOM的有机碳含量降低了23%,说明DOM是堆肥中活跃的有机质组分。值得注意的是,堆肥前期DOM微生物降解最为剧烈。UV-Vis谱图显示DOM光谱随堆肥进行不断降低,表明堆肥过程芳香族物质不断降解。EEM光谱显示出显著的荧光峰演变趋势,由堆肥前期较强的类蛋白荧光峰（D,E）演变为堆肥后期较强的类腐殖质荧光峰（H）,表明堆肥过程DOM的物质组成发生改变。通过光谱参数SUVA₂₅₄和HIX的观测,发现随着堆肥进行,DOM的芳香度和腐殖化程度呈现动态变化,整体呈增强趋势。由此可推测堆肥过程DOM降解的成分主要为非腐殖质,而腐殖质类物质的相对含量则不断提升、整体芳构化和腐殖化程度增加。EEM-PARAFAC进一步定量分析了DOM组分的演变特征。随着堆肥的进行,DOM中的类蛋白物质（C3）相对含量显著降低（~46%）,而类富里酸（C1）和类腐殖酸（C2）物质相对含量分别提高了45%和80%。DOM中的组成由堆肥初期的C1∶C2∶C3=41∶17∶42演变成堆肥后期的53∶27∶20。结果揭示出堆肥过程中类蛋白物质发生显著的降解,而类腐殖质则由于分子聚合生成作用和微生物降解速率较慢等因素逐渐演变成堆肥DOM的主要组分。相关性分析结果显示HIX与C1和C2均呈现极显著正相关（r=0.806~0.853）,表明腐殖化指数(HIX)可有效指示DOM的腐殖质物质组成。本研究结果可为进一步优化小麦秸秆堆肥条件,改善秸秆有机肥质量提供科学依据。     

水母代谢过程中释放的溶解有机质的光谱特征

研究了实验室培养的小型水母弗洲指突水母(Blackfordia virginica)代谢过程中所释放的溶解有机物(DOM)及其吸收和荧光光谱特征的变化。与对照组海水相比,充分摄食后的水母在24h的代谢过程中向水体释放大量的溶解有机碳和总溶解态氮,有色溶解有机物的吸收系数a280也有显著增加。光谱斜率比值(SR)的增大和腐殖化指数(HIX)的降低,表明水母代谢产生的主要是腐殖化程度较弱的低分子量DOM。利用平行因子分析(PARAFAC)模型对三维荧光光谱进行解谱,识别出3个类腐殖质(C1-C3)和1个类蛋白质(C4)组分。发射波长在400nm以下的"海源"类腐殖质组分C2(<250,295/386nm)及类蛋白质组分C4(275/334nm)在代谢过程中有明显增加,表明它们是水母代谢释放的主要荧光物质;而发射波长在400nm以上的组分则变化不大。据此可将发射波长小于400nm与大于400nm的荧光组分强度和之间的比值,构建为DOM的浮游动物来源指标(ZIX),用于识别和示踪水环境中浮游动物代谢活动释放和产生的DOM。     

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。     

生物炭中溶解性有机质的光谱分析

稻壳和木屑是农林业废物处理与利用的重点，将稻壳和木屑制备成生物炭并用于环境污染与防治成为研究热点，但对稻壳和木屑生物炭中溶解性有机质（DOM）的研究还较少。以稻壳和木屑为生物质原料，在不同温度（200~700 ℃）下制备稻壳和木屑生物炭，利用紫外-可见光谱、三维荧光光谱和红外光谱技术对生物炭DOM的光谱特征进行分析，研究不同热解温度对生物炭DOM光谱特征的影响。结果表明，随着热解温度升高，稻壳和木屑生物炭DOM中溶解性有机碳（DOC）浓度逐渐降低，且木屑生物炭的DOC浓度远高于相同温度下的稻壳生物炭。稻壳和木屑生物炭DOM的紫外吸收均随着波长的增大而逐渐降低，且随着热解温度升高，稻壳生物炭DOM的吸光度先增加后降低，而木屑生物炭DOM则持续降低。紫外光谱的特征参数值（SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀）随着热解温度升高变化趋势相同，且在相同温度下，稻壳生物炭DOM的特征参数值均高于木屑。三维荧光光谱表明稻壳和木屑生物炭DOM的荧光峰主要出现在λ_ex/em=300~315/400~425 nm和λ_ex/em=210~245/380~435 nm波段，分别代表类腐殖质荧光峰和富里酸荧光峰，可用来表示生物炭DOM的腐殖化程度和疏水组分含量。随温度升高，稻壳生物炭DOM的腐殖化程度和疏水组分含量先升高后降低，而木屑生物炭DOM则逐渐降低。三维荧光参数表明稻壳和木屑生物炭DOM的自生源指标（autochthonous index，BIX）不强，生物可利用性和类蛋白比例较低；随着温度升高稻壳生物炭DOM腐殖化指数（humification index，HIX）先增加后降低，而木屑生物炭DOM的HIX则逐渐降低。此外，红外光谱结果表明，随着热解温度的升高，稻壳和木屑生物炭DOM中-OH逐渐降低，-CH₂、-CH₃变化不明显，芳环C═C， C-H增强，芳香化程度增强。     

店埠河农业小流域水体溶解性有机质三维荧光光谱的平行因子分析

店埠河农业小流域是巢湖的主要水源地之一,研究该流域水体溶解性有机质(DOM)组分及来源对了解巢湖水生生态系统至关重要.本研究结合水体的三维荧光光谱,利用平行因子分析(PARAFAC)方法对测定的三维荧光光谱矩阵进行拉曼及瑞利散射校正、组分提取等相关处理,实现对店埠河农业小流域水体DOM的分析,包括三维荧光光谱特征分析、...     

獐子岛附近海域溶解有机物的荧光特征

利用平行因子分析(PARAFAC)模型对三维荧光光谱(EEMs)进行解析,研究了獐子岛附近海域不同季节荧光溶解有机物(DOM)荧光的组成特点及分布变化。调查水域在不同季节的DOM荧光组成基本一致,包含类腐殖质荧光组分C1(265/440nm),C2(410～450/520～550nm)和类蛋白荧光组分C3(230,280/330nm),且三者有很好的相关性,表明它们有着相同的来源或彼此间存在某种关系。各组分在不同季节不同水层的分布有在獐子岛周围海域荧光强度相对较大的共同点。通过对各组分与叶绿素a和盐度变化的关系研究发现,调查海区OM受现场浮游植物和人类生产活动的共同作用。分析结果有效的证明了EEMs与PARAFAC相结合对DOM荧光进行分析鉴别的可行性。     

泾渭河交汇区域平水期水体和表层沉积物溶解性有机质的光谱性质

溶解性有机质是环境生态学者关注的典型对象,其对环境质量的指示作用以及修复策略的效果评价具有重要参考价值。现阶段,对于河流和沉积物DOM的研究略显不足,尤其考虑到目标组分的动态差异 (时空、水文、环境、尺度等),相关方面的精细化研究便显得尤为必要。以泾渭河交汇区域(陕西西安高陵段)水体和表层沉积物为研究对象,通过光谱联用技术(元素分析、UV、FTIR、Raman、3D-EEMs和NMR) 深度揭示其微观特征。研究表明：沉积物DOM的H/C和N/C比都高于水体DOM,说明沉积物DOM碳氢饱和度更高,同时含有更多含氮组分。DOM紫外吸光度随吸收波长的增加逐渐下降;水体DOM吸收平台极弱,但沉积物DOM发现较明显的吸收平台(240～310 nm)。DOM含有—OH,CC, C—O等基团,沉积物DOM官能团性质略为复杂,具体体现在峰形和峰强的局部差异上。水体和沉积物DOM的Raman图谱相似,基本无法给予有效的区别信息。水体DOM荧光峰归属为可见光区类色氨酸和紫外区类富里酸,以陆源有机质为主;沉积物DOM荧光峰均属于紫外区类富里酸荧光峰,没有发现类蛋白组分特征峰。水体和沉积物DOM具有类似的C骨架,但沉积物DOM的脂族特性更明显。1H NMR结果表明碳水化合物H含量较高,而芳香族H、γ-H等含量较低。总体认为水体DOM的陆源性更加明显,沉积物DOM组分更为复杂和“年轻”。相关结果有助于深度明晰典型环境体系DOM的微观性质和环境行为。     

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。     

荧光光谱及平行因子分析法在植物油鉴别中的应用

利用FS920荧光光谱仪测量市售的八种植物油(大豆油、玉米油、橄榄油、稻米油、花生油、核桃油、葵花籽油和芝麻油)共22个样品的荧光光谱,并对其数据矩阵(EEMs)进行平行因子分析,结合荧光谱分析的直观物质表征和平行因子法对灰色体系的组分识别优势,实现了植物油的种类区分与鉴别。综合分析植物油在特定范围内(激发波长为250～550 nm,发射波长为260～750 nm)的三维荧光光谱和等高线光谱图,给出了各植物油峰位、峰数和峰强等特征信息,确定了植物油各荧光谱峰相应的荧光物质(不饱和脂肪酸类、维生素E及其衍生物、叶绿素及类胡萝卜素);将平行因子模型应用于植物油光谱数据矩阵的分析,确定了平行因子分析模型的因子数及各因子的物质基础(维生素E及其衍生物、亚油酸和亚麻酸、脂肪酸氧化产物、植物油氧化产物)。建立了植物油的4因子激发-发射光谱轮廓图和样品因子投影得分图。通过对植物油荧光光谱的图谱特征和其数据阵平行因子模型的分析,证实荧光光谱技术和平行因子分析法对植物油进行分析和种类鉴别的有效性。     

厦门湾溶解有机物的三维荧光光谱特征及其来源解析

利用三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术,研究了2009年春、秋季厦门湾有色溶解有机物(CDOM)的荧光组分特征,并利用主成分分析方法对影响该海域CDOM分布的主控因素及其相对贡献进行了解析。厦门湾CDOM中含有3个类腐殖质荧光组分(C1,C2和C5)及2个类蛋白质组分(C3和C4)。所有类腐殖质组分之间、以及所有类蛋白质组分之间均有很好的相关性,表明同一类型的荧光组分具有相似的来源属性及地球化学行为。类腐殖质组分的高值区分布在九龙江河口区上游,而类蛋白质组分的高值区则位于厦门西海域北部,低值区都位于东部的厦金海域。排污口附近的局部海域存在污染输入的贡献。对荧光组分进行的主成分分析结果显示,陆源径流输入是厦门湾水体中CDOM荧光组分的主要来源;海区现场生物活动的贡献不大。这表明对PARAFAC识别的荧光组分进行主成分分析,有助于实现对水环境中CDOM的不同来源及其相对贡献率的定量解析。