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。     

近红外光谱(NIRS)技术快速测定湖泊沉积物营养组分研究

湖泊沉积物保存了湖泊环境演化的重要信息,但目前还没有建立起快速、准确的湖泊沉积物营养组分组合分析方法。该文利用近红外光谱(NIRS)技术,采用一阶导数、小波滤噪、正交信号校正、小波滤噪+正交信号校正、一阶导数+正交信号校正、正交信号校正+小波压缩6种光谱预处理技术和偏最小二乘(PLS)法相结合在国内建立了NIR光谱测定湖泊沉积物柱芯样品中总碳(TC),总氨(TN),总有机碳(TOC)和总磷(TP)的校正模型,结果表明虽然NIR光谱校正模型对TOC的预测效果不理想,但一阶导数+正交信号校正光谱校正模型对TC和TN,正交信号校正光谱校正模型对TP的预测效果较好,预测相关系数分别为0.759 7(TC),0.865 0(TN)和0.811 2(TP),预测误差(RMSEP)分别为0.13%(TC),0.008 2%(TN)和0.012%(TP)。该研究对于推动我国湖泊沉积物的光谱学特性研究具有重要意义。     

寡营养淡水湖泊生命有机颗粒物的FCM研究

应用FCM (流式细胞术 )对一个寡营养淡水湖泊生命有机颗粒物进行分析研究 ,结果表明 :利用生命有机颗粒物的光散射信号和自身所含光合色素的荧光信号 ,FCM可快速、多参数区分三种不同类群生命有机颗粒物。R1类群个体最小 ,R2类群个体较大 ,R3类群个体最大。R1类群含有藻红素但不含有叶绿素 ,R2类群既含叶绿素又含有大量藻红素 ,R3类群含有大量的叶绿素但不含有藻红素。经计算 ,生命有机颗粒物占 5 0 μm以下微型颗粒物的 70 2 4 %。FCM很适合分析这类用传统方法很难研究的水体生命有机颗粒物 ,在水环境科学及生态学相关研究中具有广阔的应用前景     

洱海水-陆界面溶解性有机氮组成结构及生物有效性-以永安江为例

利用紫外与三维荧光光谱技术,研究了洱海水-陆界面溶解性有机氮(DON)组成结构及生物有效性特征,并探讨了其对湖泊水质影响。结果表明：(1)水-陆界面经由永安江输入洱海DON浓度在0.25～1.39 mg·L-1之间,从河流到湖内以夏秋两季DON浓度较高;经由永安江输入洱海DON负荷量在0.48～2.34 t之间,其中以夏季DON负荷量最高,表明经由入湖河流输入洱海的DON对洱海水质影响潜在风险较大,尤其夏季明显。(2)水-陆界面经由永安江输入洱海的DON组成主要以类腐殖质物质为主,永安江沿程到湖内衰解特征明显且生物有效性为15.27%,而类蛋白和可溶性微生物代谢产物则出现不同程度累积,累积率分别为42.00%和20.68%;DON组分的分子腐殖化程度经由永安江到洱海湖内呈渐降趋势且降低了14.97%。同时,分子芳香环取代基从以脂肪链为主逐渐向以羰基、羧基、羟基、酯类为主转变,尤其在夏季表现明显。(3)水-陆界面经由永安江输入洱海DON组成特征参数(P_{(Ⅲ+Ⅴ, n)}/P_{(Ⅰ+Ⅱ, n)}和A₂₅₃/A₂₀₃值)与其不同形态氮含量显著相关(R2=0.64～0.74, P<0.1,P<0.05),即永安江输入洱海DON结构影响其生物有效性;水-陆界面DON不同结构特征参数与水质呈显著正相关(R=0.82～0.96, p<0.05,p<0.01),表明水-陆界面经由永安江入湖DON组成结构及生物有效性对洱海水污染有一定贡献,尤其在夏季受陆源等人类活动影响较大时,影响更为突出;由此可见,洱海水-陆界面经由永安江入湖DON组成结构变化(如P_{(Ⅲ+Ⅴ, n)}/P_{(Ⅰ+Ⅱ, n)},A₂₅₃/A₂₀₃)可在一定程度上反映洱海水质状况。     

不同溶解氧水平上覆水中DOM荧光特性及总氮含量评估

采用荧光光谱技术研究不同溶解氧(DO)水平下二十埠河底泥上覆水中溶解性有机物(DOM)转化特性及类蛋白荧光强度与总氮浓度的关系。三维荧光光谱显示：上覆水中DOM主要由三种类蛋白物质(高激发波长类酪氨酸、低激发波长类酪氨酸、低激发波长类色氨酸)和两种类富里酸物质(紫外区类富里酸、可见区类富里酸物质)组成,类蛋白物质是上覆水中DOM的主要成分。经过曝气后类蛋白荧光强度均存在明显降低,其中低激发波长酪氨酸和低激发波长色氨酸相对于高激发波长酪氨酸更易被微生物降解。而类富里酸荧光强度则均呈现增强趋势,表明类富里酸物质属于难降解有机物。上覆水中DOM荧光指数介于1.65~1.8之间,表明上覆水体DOM既有陆源又有生物源但以生物源为主。荧光指数随DO增加而增大,说明随着DO增加微生物量及微生物活性逐渐增加,微生物代谢功能增强,使得上覆水中DOM的生物源成份加大。在较高的溶解氧水平下,即DO分别为2.5,3.5和5.5 mg·L-1时,高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度与上覆水中总氮浓度有良好的相关性,相关系数(r2)分别为0.956,0.946,0.953,说明可以通过三维荧光技术监测高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度而快速分析上覆水中总氮浓度,为河道水体诊断、治理及修复提供快速有效的技术参考和理论支持。     

生物滞留系统间隙水DOM三维荧光光谱特征分析

为探明不同淹没区填料对生物滞留系统的净水效果的影响,采用三维荧光光谱研究间隙水溶解性有机物的组成成分和时间分布特征。三维荧光光谱显示,海绵铁环境间隙水中主要有机组分为微生物代谢产物(Ⅳ),火山岩与碎砖块中为类腐殖质(Ⅲ+Ⅴ);碎石块类腐殖质(Ⅴ)、简单芳香类蛋白(Ⅰ+Ⅱ)和微生物代谢产物(Ⅳ);48 h后海绵铁和碎砖块相关联的水生环境中DOM的荧光峰削弱,而火山岩和碎石块相关联水生环境中DOM的荧光峰增强。出水的类腐殖质组分(Ⅲ+Ⅴ)荧光积分体积均有降低(平均58.04%),芳香类蛋白组分(Ⅰ+Ⅱ)均有上升(平均65.36%)。海绵铁去除溶解性有机物效果最好(84.52%),火山岩(77.25%)和碎砖块(77.90%)较好,碎石块(29.20%)最差。间隙水中有机物主要来源于微生物的代谢活动(HIX＜4)。与类腐殖质相反,芳香类蛋白易被微生物利用,对微生物代谢活动和硝态氮反硝化有促进作用。生物滞留系统在设计时宜采用碎砖块和海绵铁填料,外加碳源宜选用易被微生物利用的有机物。     

水源热泵水处理系统DOM三维荧光光谱特征分析

为探明水源热泵水处理系统的净水过程,提高热泵系统能效,采用三维荧光光谱研究了水处理系统各单元水DOM的荧光。结果表明,水源热泵水处理系统对DOM处理效果不佳,且长期被忽略,影响其能效。过滤器清洗周期对蛋白类有机组分、微生物代谢产物和类腐殖质的去除影响大;系统内HIX指数均<4,其DOM主要来源是微生物代谢产物和蛋白类物质。清洗周期过长会造成系统内部淤泥堵塞,引发系统内DOM泄露。水中类富里酸和蛋白类有机组分可能来源于小环藻,而类腐殖质则可能来源于其他藻类。系统内DOM的去除效果主要受过滤器运行周期影响,为防止热泵系统结垢问题,应该针对水源地的水质加大清洗频次,并强化水源热泵系统的水处理。     

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。     

不同水体中溶解有机物的荧光光谱特性研究

用激光诱导荧光(laser induced fluorescence, LIF)方法对几种不同水体中溶解有机物(dissolved organic matter, DOM)的荧光光谱进行了测量和分析,给出了不同浓度腐殖酸的归一化荧光强度与浓度的关系。结果表明, 可用此种方法进行有效的水体质量监测。     

长江河口不同分子量溶解有机质的三维荧光光谱特征

应用切向流超滤和三维荧光光谱技术研究长江河口丰水期和枯水期水体中不同分子量溶解有机质的荧光性质,探讨其来源与影响因素。结果表明：长江河口水体存在四种荧光峰,分别是陆源类腐殖酸荧光峰A和海洋来源类腐殖酸荧光峰C、酪氨酸和类蛋白荧光峰B及芳香蛋白荧光峰D。荧光物质主要存在于真溶解有机质(<1 kDa)中,其次是低、中分子量胶体有机质(1～500 kDa)。溶解有机质中蛋白质来源以污染排放的人为源为主,其次是生物活动的内源;在丰水期腐殖酸来源是陆源和内源,在枯水期主要为陆源。真溶解有机质中腐殖酸多来源于生物分解的内源,胶体有机质以陆源为主,可能同时受再悬浮作用影响。荧光峰强与各环境参数均有一定相关性,说明在环境参数对溶解有机质中的荧光物质产生的影响较为复杂多样。     

昆明松华坝库区表层土壤溶解性有机质(DOM)的光谱特性

单一的光谱技术不能对溶解性有机质(dissolved organic matters,DOM)的结构特征和来源进行全面的分析,因此,本研究选择紫外-可见光谱和三维荧光光谱技术相结合的方法,对昆明松华坝库区表层土壤中DOM的组成结构和来源进行了研究。结果表明,所有样品的紫外-可见光谱曲线均呈现出相似的特征,吸光度随着波长的增加而降低,并在250～280 nm波段存在一个明显的肩状吸收峰。A₂₅₀/A₃₆₅(波长在250和365 nm处紫外吸光度的比值)的范围在2.59～5.21之间,说明DOM中主要物质为富里酸或者胡敏酸且分子量较高;SUVA₂₅₄(单位DOC浓度在波长254 nm处的吸收系数)和SUVA₂₆₀(单位DOC浓度在波长260 nm处的吸收系数)分别为1.19～3.00和1.15～2.89,两者之间存在十分显著的相关性,表明该地区土壤DOM的腐殖化程度相对较高并含有较多的疏水组分。三维荧光光谱显示,所有DOM样品中主要存在3个特征峰：紫外光区类富里酸峰、可见光区类富里酸峰和类腐殖酸峰,而类蛋白峰不显著。荧光指数(fluorescence index, FI)总体上接近于1.4,表明该地区土壤DOM以外源输入为主;自生源指标(autochthonous index, BIX)均小于1,自生源特征不明显并且生物利用性较低,这可能与当地较强的人类活动有关。以上研究结果可以为进一步探讨DOM对有机或重金属污染物迁移转化的影响提供理论依据。     

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。     

基坑排水对城市内河水体溶解性有机质的影响研究

工程施工时基坑排水是保障基坑安全的必要措施,排出水进入城市内河,对内河及下游水生态安全产生影响。该研究采集哈尔滨市何家沟欧亚之窗公园段建筑工程施工过程中基坑排出水(W1)、排水口上游100 m处(W2)、排水口处(W3)、排水口下游50 m处(W4)、排水口下游100 m处(W5)、排水口下游200 m处(W6)的水体样品,应用三维荧光光谱-平行因子分析方法,测定溶解性有机质(DOM)的荧光光谱特征,分析DOM的组成和来源,探究基坑排水对城市内河水体环境的影响。结果表明：内河水体腐殖化指数(HIX)在0.337~0.381范围内,腐殖化程度低,W1,W3～W6的HIX差异不显著,均显著低于W2,说明排水进一步降低了内河水体腐殖化程度。荧光指数(FI₃₇₀)介于2.330~2.900范围内,生物指数(BIX)在0.897~1.140范围内,W1和W2的FI₃₇₀和BIX均显著高于W3~W6,两者具有极强的自生源特征,说明排水使下游水体自生源特征降低。水体样品DOM中共识别出2类4种有机组分：可见类富里酸组分(C1)、类色氨酸组分(C2)、紫外类富里酸组分(C3)和类酪氨酸组分(C4),即类富里酸物质(C1、C3)和类蛋白物质(C2、C4),两者间成负相关关系。FI₃₇₀与4种有机组分间均呈极显著的相关性,说明DOM组成简单。W2具有相对较高的DOM浓度,而排水口下游水体DOM浓度低,基本保持稳定。类蛋白物质在上游水体中占有相对较高的比重,在W4中,4种有机组分相对比重差异不显著,W5和W6类富里酸物质的相对比重有升高趋势,同样说明基坑排水导致内河水体自生源特征降低。除pH值升高外,下游水体样品溶解氧(DO)、总氮、总磷等理化指标含量均降低,pH值与类富里酸物质呈正相关,与类蛋白物质呈负相关,而DO、化学需氧量及水体养分指标与之相反。水体DOM有机组分与理化指标的相关性不同,可直接或间接影响DOM组成。因此,工程施工基坑排水可降低城市内河水体DOM浓度,改变了水体DOM组成。