三峡库区水体溶解有机质的荧光光谱特性

　　　　　　 作者：黎司 吉芳英 周光明 虞丹尼 王图锦 曹琳 杨大成

【摘要】 利用荧光发射和三维荧光光谱(EEM)研究了三峡库区(TGRA)长江干流及嘉陵江、乌江两支流水体溶解有机质(DOM)的荧光特性。结合采样段面溶解有机碳(DOC)、氧化还原电位(ORP)、pH等参数，考察了干流、两支流及其汇合后各水体DOM的荧光指数f450/500和类腐殖酸与类富里酸强度比值rC/D变化，分析了类腐殖酸、类富里酸及类蛋白质在库区支流与干流、上游与下游水体的来源、组成、分布及环境行为。实验表明： 干流水体中DOM以类富里酸、类蛋白质荧光有机质为主;嘉陵江水体DOM以类蛋白质为主，富里酸次之; 在朝天门与长江汇合后，类蛋白峰强减弱而类腐殖酸有一定增加;乌江以类富里酸为主，汇合干流后，富里酸和类蛋白质峰增强;库区上游水体DOM主要受嘉陵江影响;干流DOM受陆源性影响。初步揭示了水体DOM的EEM特性与库区水质参数的相关性，为水体监测与分析提供参考。

【关键词】 三维荧光光谱，溶解有机质，水体，三峡库区

　　1 引 言

　　溶解有机质(dissolvable organic matter， DOM) 是各种天然水体中重要的有机成分，通过光衰减、酸度缓冲、络合作用等对水生态系统产生重要影响[1～3]。在各种水体DOM的研究中，应用三维荧光光谱(fluorescence excitationemission matrix， EEM)研究DOM特性较多，如湖泊、河流、海洋等水体的DOM荧光特性的研究，被用于解析DOM在各种水体中的来源、分布及生物活动，并由此判断水体的水质[4～8]。

　　三峡水库蓄水后，长江流速减缓，自净能力下降，入库污染物滞留时间相对增加，对库区水域产生深远影响。常规化学手段测定的COD与BOD参数，仅能反映有机物的综合含量，且步骤烦杂费时，难以反映水体DOM组成与分布情况，不利于实时追踪水质。EEM具有操作简便、选择性好、灵敏度高等优点[3，5，9]。关于三峡库区水体DOM的荧光光谱特性的研究报道还较少。本研究通过对库区长江干流及嘉陵江、乌江两大支流水体DOM的荧光光谱分析，阐述了DOM中类腐殖酸、类富里酸及类蛋白质荧光物在干、支流的EEM特征及其反映的水质变化，对库区水质监测及污染预警提供有益的补充和参考。

　　2 实验部分

　　2.1 水样的采集采样点(sampling site).2008年4月28日利用水质采样器采集长江干流朝天门、涪陵、丰都、忠县、万州及嘉陵江北碚、乌江涪陵及其两支流与干流汇合的表层水体(图1)于预先处理过的棕色玻璃瓶， 冰袋保护运回实验室，过0.45 μm滤膜，置4 ℃冷藏，并尽快进行相关测试。

　　2.2 水样分析

　　现场测定溶解氧(DO，美国HACH公司HQ30d DO仪)、pH和ORP(上海大普仪器公司ORP412仪); 高温催化氧化法测有机碳(DOC， 德国Elementar公司Liqui II TOC仪);F7000荧光分光光度计(日本Hitachi公司)扫描荧光， EEM的λem=290～540 nm，λex=210～440 nm，狭缝均为5 nm; 扫描速度: 1200 nm/min， 扫描间隔5 nm; 超纯水(18.2 MΩ·cm，英国Pall公司Cacsada LS MK2超纯水机)作空白。

　　3 结果与讨论

　　3 1 DOM的荧光光谱特性

　　3.1.1 DOM的荧光发射光谱 以λex=335 nm扫描库区水体DOM，得到λem=430 nm 处荧光强度的最高值。DOM中荧光基团组成较复杂，表现为各段面荧光发射谱带均较宽，无明显特征。但各发射峰位也无显著红移或蓝移现象，各段面在强度上呈现出一定差别;两支流DOM的荧光发射强度呈鲜明对比，上游的嘉陵江DOM荧光最强，下游乌江发射强度为库区各段面最低;两支流各与长江汇合后，其荧光强度均介于汇合前支、干流二者之间;干流DOM除丰都段面水体外，朝天门至万州各段面荧光发射峰强略有减弱。当λex=370 nm 激发水样，各DOM荧光发射强弱变化规律与此类似。初步反映库区干流承纳、稀释支流水体引入污染物的能力。

　　利用λex=370 nm发射光谱在450与500 nm的荧光强度之比即荧光指数(f450/500)，可溯源库区干流水体中DOM的腐殖酸。f450/500=1.4时，水体腐殖酸主要由陆源产生;f450/500=1.9，腐殖酸主要来源于水体生物及其相互作用产物[2，4]。乌江f450/500=2.00&>嘉陵江f450/500 =1.69，说明库区两大支流水体中腐殖酸陆源作用差别显著;干流水体在丰都段面(1.65)显示出较强的陆源因素，与该段面的发射特征吻合。表1列出了各段面f450/500值，表现出下游腐殖酸的陆源作用较上游略为明显，支流水体DOM所含腐殖酸的陆源作用，以嘉陵江较为突出。结合DOM的荧光发射特征，库区水体的荧光指数变化规律进一步说明，库区水体荧光物主要以水体本底生物活动产生，且其强度变化范围不大;库区水体DOM表现出一定的稳定性和缓冲作用，保证水体具有一定的稀释、自净能力。表1 库区采样断面的水质参数与荧光特性比值表

　　Table 1 Water quality parameters and fluorescence characteristics of the dissolvable organio matter(DOM) samples from the THree Gorges Reserroir Area(TGRA)采样段面

　　Sampling sites水质参数与荧光特性比值 ParameterspHT(℃)ORPDO (mg/L)DOC (mg/L)f450/500rC/D长江朝天门 Chaotianmen7.7324.11737.733.831.840.894嘉陵江北碚 Beibei of the Jialin River7.9026.81857.852.991.690.932长江和嘉陵江汇合

　　Confluence of the Yangtze and Jialin River 7.8425.41617.522.851.871.305长江涪陵 Fulin7.7825.92147.932.711.820.985乌江涪陵 Fulin of the Wu River7.8624.02057.691.982.000.978长江和乌江汇合

　　Confluence of the Yangtze and Wu River7.8025.61847.642.251.820.970长江丰都 Fengdu7.7025.51947.572.941.650.972长江忠县 Zhongxian7.8725.72007.652.581.800.965长江万州 Wanzhou7.5525.41817.672.781.900.968 f450/500： 荧光指数(Ratio of fluorescence intensity); ORP: oxidation reduction potential; DO: dissolved oxygen; DOC: dissolved carbon.3.1.2 DOM的EEM特征 EEM能够从复杂的有机混合体系获得激发波长和发射波长同时变化的完整荧光信息，库区各段面水体DOM的EEM中均相应呈现4个荧光峰，各位置范围如下，Peak A: λex/λem=220～235/335～350 nm; Peak B: λex/λem =275～290/335～350 nm; Peak C， λex/λem =295～325/390～410 nm; Peak D， λex/λem = 235～270/385～420 nm。其中，A和B峰归属类蛋白质(proteinlike) 荧光， C峰为类腐殖酸(humiclik) 荧光，D峰为类富里酸(fulviclike) 荧光[10～12]。以丰都水样EEM为例(如图2)， 图2 丰都段面DOM的EEM

　　Fig.2 Representative topographic(A) and contour fluorescence excitationemission matrix(EEM)(B) plots for water sample in Fengdu其它段面各荧光峰位置与此相对应，也无明显红移或蓝移现象，仅在对应各荧光峰强表现出差别。图3显示出3类荧光峰强在库区各段面变化情况。

　　类富里酸在各段面EEM中均呈现出一个平宽峰，其中以朝天门段面的峰强最低。当与嘉陵江汇合后急剧上升，涪陵之后一直到万州的干流各段面类富里酸强度略有所下降，其峰位保持相对稳定;图3还反映了库区水体类腐殖酸荧光强度变化与类富里酸的变化具有一定的正相关性，Coble 等[13～15]利用二者比值即rC/D揭示了有机质的结构、成熟度及主要影响因素来自其分子大小、水体pH值。库区水体rC/D值在0.89～1.3，如表1。在库区水体pH值较稳定条件下，rC/D值主要反映DOM中荧光基团变化。水体在朝天门汇合后水体rC/D值为最高1.3，与荧光指数揭示的陆源污染一致;其余段面约为0.97， pH=7.55～7.90，表明库区水体DOM组成、结构较稳定，与其相应的荧光特征一致。

　　图3 库区各段面EEM中三类荧光峰强度的柱状图

　　Fig.3 Column plot of three fluorescence peaks intensity in TGRA

　　1. 朝天门(Chaotianmen); 2 嘉陵江北碚(Beiei of the Jialin River); 3 长江与嘉陵江汇流(Confluence of the Yangtze and Jialin River); 4 长江涪陵段面(Fulin); 5 乌江涪陵段面(Fulin of the Wu River); 6 长江与乌江汇流(Confluence of the Yangtze and Wu River); 7 长江丰都(Fengdu); 8 长江忠县(Zhongxian); 9 长江万州(Wanzhou)。: 类腐殖酸(Humiclike); : 类富里酸(Fulviclike); : 类蛋白质(Protainlike)。嘉陵江水体DOM的3类峰强均较高，类蛋白质峰强尤为显著，导致库区上游重庆段干流水体在一定范围内DOM各荧光峰保持较高强度。嘉陵江水体中的强类蛋白荧光与其陆源污染物的排入相关[10]。图3还反映出库区水体类富里酸荧光强度主要由上游嘉陵江所决定;长江朝天门及乌江水体各荧光峰强度均较低，经汇流，各荧光峰强略有增大，但在其下游紧邻段面处其EEM中各峰又明显降低。

　　结合库区水体f450/500值，当水体陆源污染物作用不显著则库区水体的DOM 的EEM主要来自其内部生物代谢及分解的荧光机质，表现为类富里酸和类腐殖酸。而类蛋白质荧光峰，主要为酪氨酸与色氨酸。如图2示，类蛋白质两荧光峰的激发波长都处于紫外区，其光子产率较高， 易于检测，因而以此峰强弱判断水体污染程度。

　　3.2 DOM的环境行为

　　3.2.1 分布与来源 本研究采样时段面临库区即将实现三期水位，水文情势将进一步变化，势必加剧库区水环境矛盾。根据重庆环保局水质月报，库区前期蓄水后，上游干流及嘉陵江、乌江水质状况一般为优良，为Ⅱ类、Ⅲ类，嘉陵江水质多为Ⅲ类。利用荧光发射光谱和EEM，可检测水体DOM中的荧光机质，荧光峰位及其强度均表现出相应的差异[10，11]。库区水体DOM的荧光特性反映了上游嘉陵江及丰都段面周围的陆源作用对库区水体的影响及其腐殖质成熟度情况。乌江及朝天门入库水体DOM中所含的类荧光机质较少，水质较好;长江与嘉陵江汇合水体的DOM所含类荧光物骤然增加，主要是由于嘉陵江水体所致;乌江与长江汇合水体DOM的荧光物略有增加，表明上游汇合水体经稀释、自净、本底生物活动等作用，降低了DOM中的类荧光质。丰都段面的类蛋白强度特征突出，与其周围陆源作用有一定关系。但下游忠县和万州段面DOM的荧光特征与上游干流基本一致，仍体现了库区水体的自净能力。

　　3.2.2 DOM的荧光特性 与环境因子的关系 三峡库区水体DOM的来源、分布及变化特征十分复杂，影响因素有DOC， pH， DO， ORP，沿岸土壤、地形和水文条件等;尤其沿岸汇入干流水体的水质直接影响库区DOM特性。

　　根据拟合结果，库区水体DOM中各荧光峰强与DOC， pH， DO及ORP的线性相关性不显著(如图4)，但荧光强度大的水体却对应较高的DOC和DO，如嘉陵江和丰都段面;类腐殖酸峰与ORP， DOC的相关性相对较大;类蛋白质强度与DOC的相关性更低。库区水体类富里酸的荧光强度较稳定，上游嘉陵江水体的来源成为其最大的影响。

　　本研究揭示了库区DOM中各类荧光物的组成、分布、来源及其环境行为。所选段面DOM的荧光发射及EEM特性与DOC， pH， DO及ORP具有一定相关性。为三峡库区水质监测与评价提供了理论参考。

　　图4 库区DOC， ORP与荧光峰强之间的相关性

　　Fig.4 Correlation between dissolved organic carbon(DOC) concentration and oxidationreduction potential(ORP) of dissolved organic matter(DOM) in the TGRA′s samples and fluorescence intensity at different peaks

　　a. 类腐殖酸(Humiclike); b. 类蛋白质(Proteinlike)。

参考文献

　　1 Baker A. Water Res.， 2005， 39(18): 4405～4412

　　2 Battin T J. Org. Geochem.， 1998， 28(910): 561～569

　　3 Jaffe R， Boyer J N， Lu X， Maie N， Yang C， Scully N M， Mock S. Mar. Chem.， 2004， 84(34): 195～210

　　4 McKnight D M， Boyer E W， Westerhoff P K， Doran T P， Kulbe T， Andersen D T. Limnol. Oceanogr.， 2001， 46(1): 38～48

　　5 Baker A. Water Res.， 2002， 36(1): 189～195

　　6 Parlanti E， Worz K， Geoffroy L， Lamotte M. Org. Geochem.， 2000， 31(12): 1765～1781

　　7 Zhong RunSheng(钟润生). Zhang XiHui(张锡辉)， Guan YunTao(管运涛)， Mao XianZhong(毛献忠). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)， 2008， 28(2): 347～351

　　8 Wang ZhiGang(王志刚)， Liu WenQing(刘文清)， Li HongBin(李宏斌)， Zhao NanJing(赵南京)， Zhang YuJun(张玉钧)， Liu jianGuo(刘建国)， Yang LiShu(杨立书). Acta Scientiae Circumstantiae(环境科学学报)， 2006， 26(2): 275～279

　　9 Baker A. Environ. Sci. Technol.， 2002， 36(7): 1377～1382

　　10 Baker A. Environ. Sci. Technol.， 2001， 35(5): 948～953

　　11 Leenheer J A， Croué J P. Environ. Sci. Technol.， 2003， 37(1): 19A～26A

　　12 Mobed J J， Hemmingsen S L， Autry J L， Mcgown L B. Environ. Sci. Technol.， 1996， 30(10): 3061～3065

　　13 Coble P G. Mar. Chem.， 1996， 51(4): 325～346

　　14 PatelSorrentino N， Mounier S， Benaim J Y. Water Res.， 2002， 36(15): 2571～2581

　　15 Fu PingQing(傅平青)， Liu ChongQiang(刘丛强)， Wu FengChang(吴丰昌). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)， 2005， 25(12): 2024～2028