鄱阳湖水体溶解有机质分子量分布、荧光特征及对重金属分布的影响*
2020-07-17李雅妮徐华成江和龙
李雅妮,徐华成,江和龙
(1:中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,南京 210008)
(2:中国科学院大学,北京 100049)
溶解有机质(dissolved organic matter, DOM)指水中能通过0.45 μm微孔滤膜的组分[1]，其粒径较小、比表面积大、分子量分布范围广，可显著影响水体透明度以及湖泊生态系统的物质和能量循环. 此外，由于DOM包含醌羟基、酮羟基、酚羟基、醇羟基和羧基在内的众多活性基团，使其能与水体中众多物质进行离子交换、表面吸附、络合、螯合等一系列反应[2].
环境水体中DOM浓度一般<20 mg/L，河水和地下水中一般约为2～10 mg/L，不同湖泊水体溶解有机碳(DOC)浓度随富营养化程度等因素变化，如贵州红枫湖水体中DOC浓度范围为1.60～3.08 mg/L，太湖水体DOC浓度随季节和点位不同在3～22 mg/L范围内浮动，巢湖水体的DOC浓度略低于太湖，范围在2.85～12.04 mg/L 之间[3]. 但之前对DOM的研究只关注其总的含量，不同分子量DOM在湖泊水体中分布的有关研究相对较少. 实际上，DOM具有分子量连续分布特征，可通过超滤技术将DOM分为低分子量(LMW，分子量<1 kDa)和高分子量(HMW，分子量1 kDa～0.45 μm)部分，HMW-DOM主要由腐殖质、蛋白质、氨基酸、多糖和多酚等物质构成，LMW-DOM则主要由有机酸、单糖和低聚糖等亲水性组分构成[4]. 不同分子量DOM与污染物的结合程度不一样，环境效应也不同. 一般认为HMW-DOM和LMW-DOM结合重金属的能力有所不同，有说法认为具有较高芳香度的大分子量DOM可能具有更多的重金属络合点[5]，但也有说法认为分子量较小的小分子量DOM具有更大的比表面积，从而拥有更强的重金属结合能力[6]. 因此，DOM作为环境中众多有机、无机污染物的载体，研究其分子量分布及荧光特征，对了解水体中DOM、各种元素的地球化学循环，从而进一步研究水体中污染物(重金属、农药等)的迁移、转化、生物有效性和归趋，有着重要意义[2].
鄱阳湖是我国第一大淡水湖，97%的流域面积处于江西省境内(28°25′～29°45′N，115°48′～116°44′E，图1)，是周边农业灌溉、工业和生活用水的重要来源[7]. 近年来，随着流域内人口的增加、经济的发展，尤其是有色矿产资源的开发，鄱阳湖的重金属污染现状不容乐观[8-9]. 目前对于鄱阳湖DOM的研究较少，且主要集中于未分级DOM的DOC浓度、三维荧光光谱-平行因子分析及相关特性[10]，暂时未见鄱阳湖DOM不同分子量分布、荧光特性及其对水体中重金属影响的研究. 有研究表明DOM可主要通过结构中的含氧官能团(酚羟基、羧基等)与水体中的一些重金属产生强烈的络合作用，如日本的Sagami河流中DOM与Cu和Fe之间的亲和力较强[11]. 而不同水体DOM与重金属相关性的研究存在不确定性[12]，例如渤海小清河-莱州湾DOM与Hg之间的相关性并不显著[13]. 本文以鄱阳湖水体DOM为研究对象，采用超滤技术进行DOM的分级操作并采用平行因子分析法进行不同分子量荧光组分分析，结合多种重金属元素在LMW-、HMW-DOM中的分布特征，开展鄱阳湖水体中不同分子量DOM及其与重金属的关联性研究，以期为湖区重金属污染防治提供理论与技术支持.
1 材料与方法
1.1 水样采集
鄱阳湖具有典型的丰水期和枯水期特征，每年的4-9月份一般为丰水期[14]. 借助全球定位系统(GPS)于2019年春季(4月)在鄱阳湖9个样点采集水样(图1)，在包含前人经典样点(如吴城、鲤鱼洲等)的基础上进行大跨度采样. 使用采水器采集水样并润洗棕色取样瓶及瓶盖，水样于24 h内运回实验室后及时用0.45 μm GF/F玻璃纤维滤膜进行水样过滤，并尽快完成超滤以及水质参数测定. 水样pH通过pH计进行测定，电导率通过电导率仪测定，将电极探头伸入水样液面以下，待示数稳定后读取并记录. 氨氮浓度的测定采用纳氏试剂比色法，硝态氮浓度的测定采用紫外分光光度法，亚硝态氮浓度的测定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法，磷酸盐浓度的测定采用钼蓝比色法.
图1 鄱阳湖采样点分布
1.2 超滤系统及操作
通过装有搅拌槽和1 kD孔径滤膜(Millipore，PLAC07619)的超过滤系统(Amicon，USA)将水样DOM分为LMW组分(<1 kDa)和HMW组分(1 kDa～0.45 μm)，透过超滤膜的超滤液为LMW组分，而超滤杯中截留液为HMW组分. 超滤前先用0.5 mol/L的NaOH溶液和大量的超纯水清洗超滤装置，而后在220 kPa的氮气压力以及150 r/min的转速下进行超滤. 超滤装置用铝箔纸包裹以避光. 单次超滤操作的体积浓缩因子为20. 超滤回收率在105.1%～122.5%之间(样品南矶除外)，平均为115.3%.
1.3 有机碳测定与光谱分析
通过TOC 分析仪(Shimadzu，TOC-L)测定各样点不同分子量DOM的DOC浓度. 使用紫外分光光度计(UV-2550，Shimadzu)测定吸收光谱，比色皿光路为10 mm，波长范围为200～800 nm，扫描步长为1 nm. 吸收系数(a(λ)，m-1)通过a(λ)= 2.303A(λ)/L获得，其中A(λ)是样品在波长λ(nm)处的吸光度，L为比色皿光程(m). 紫外特征吸光度(SUVA/SUVA254)被定义为A254与水样DOC浓度的比值，其值越大，DOM芳香化程度越高[15]. 光谱斜率(Slope275-295)，也就是275～295 nm处自然对数光谱的一阶导数，采用非线性拟合公式A(λ)=A(λ0)eS(λ0-λ)获得，DOM的分子量大小与Slope275-295的值呈反比[16].
1.4 三维荧光光谱测定
采用荧光分光光度计(Hitachi F-7000)测定水样的三维荧光光谱(EEMs). 激发波长(Ex)和发射波长(Em)的区间分别为200～450和250～550 nm，增量分别为10 nm和2 nm，扫描速度为2400 nm/min，PMT电压为700 V. 以超纯水作为空白样并扣除瑞利和拉曼散射. 采用Matlab软件的DOMFluor工具箱对27个样品进行平行因子模型解析[17]，通过残差分析、裂半分析以及目视检查验证正确的组分数[18]. 采用的荧光参数，包括荧光指数(FIX，Ex =370 nm时发射波长Em在450和500 nm荧光强度的比率)，生物指数(BIX，Ex=310 nm时发射波长Em在380和430 nm荧光强度的比值)和腐殖化指数(HIX，Ex 254 nm处Em 435～480 nm区域积分值除以Em 300～345 nm与Em 435～480 nm区域积分值之和)[19-20].
1.5 重金属元素测定
通过电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS，Agilent 7500，美国)测定样品中Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sb、Ba、Pb的元素浓度. 水样的消解采用低浓度硝酸消解法. 为保证测定结果的准确性和精度，测量过程中对样品进行了加标回收实验(回收率在90%～107%之间)和重复分析(重复率为10%)，所有样品检测结果的分析误差均少于10%，符合质量控制要求.
2 结果与讨论
2.1 水样基础理化性质
鄱阳湖各样点水体的基本理化指标可知，鄱阳湖水体pH值均呈弱碱性(7.67～7.82)，各点位间差异很小(表1). 总体来说，平均总氮浓度(0.77 mg/L)和磷酸盐浓度(0.037 mg/L)与Yao等[7]以及杨桂山等[21]测得的数据基本相当. 另外，西面4个点位(鄱阳湖站、吴城、朱港水、南矶、鲤鱼洲)总氮和磷酸根浓度的平均值分别为0.92和0.051 mg/L，高于东部4个点位(白沙洲、朱袍山、都昌南山、都昌对面)的0.59和0.019 mg/L，与前人研究一致的西面氮磷浓度高于东面的分布特征一致[22]，也可能与西面的几个采样点(如吴城、鲤鱼洲)位于河口附近，而支流河水中氮磷浓度大于鄱阳湖水有关[23].
表1 鄱阳湖各样点水样的理化指标
2.2 DOC分布特征
鄱阳湖各点位的DOC浓度在1.54～2.64 mg/L之间(图2a)，平均浓度1.95±0.33 mg/L略高于Yao等[7]于2015年6月份采样测得的1.63 mg/L. TOC值较低可能与丰水期大量输入的水其稀释作用有关. 湖内DOC浓度分布规律与肖远东等[24]的研究相似，鄱阳湖站、都昌南山以及都昌对面3个点位的DOC浓度明显高于其他点位. 各点位水体DOM分子量分布如图2b所示，大部分采样点的HMW组分所占比例都在45%～48%之间，而都昌南山和都昌对面两个点位水样的HMW组分所占比例高达57%，可能的原因分析见2.3章节.
图2 鄱阳湖各点位水样DOC浓度(a)及LMW、HMW组分对DOC值的贡献(b)
2.3 光谱特征
2.3.1 DOM荧光特征 图3是朱袍山样点不同分子量DOM的三维荧光光谱. “寻峰”[25]后可见，紫外区类腐殖峰A(230～260/380～460 nm)主要分布在LMW-DOM中，可见光区类腐殖峰C(320～360/420～480 nm)在LMW-DOM和HMW-DOM中都有分布，类蛋白(类色氨酸)荧光峰T(S峰)(225～230/345～350 nm)则主要存在于HMW-DOM. 此外，对都昌对面和都昌南山这两个点位HMW-DOM的三维荧光图谱(篇幅原因，文中未给出)与荧光强度进行观察和分析，发现其中类蛋白峰T峰的强度远远高于鄱阳湖其他点位，高T峰强度可能解释了这2个点位的高HMW-DOM比例.
图3 鄱阳湖水体不同分子量DOM的典型三维荧光光谱(以朱袍山为例，a: LMW-DOM，b: HMW-DOM，c: bulk DOM )
2.3.2 EEM-PARAFAC三维荧光-平行因子分析 通过PARAFAC平行因子分析对27个样品的三维荧光谱图进行解谱，折半检验后确定了样品中DOM的3种主要荧光组分(图4)，包括类富里酸荧光组分C1、C2和类腐殖酸荧光组分C3[26]. C1组分(Ex = 235 nm(300 nm)，Em = 395 nm)属于短波类腐殖荧光组分，以富里酸为代表，具有2个激发峰和1个发射峰，其中235/395 nm峰位于传统的A峰区域，300/395 nm峰位于传统的海洋类腐殖荧光峰M峰(290～310/370～420 nm)区域[27]. C2组分(Ex = 200 nm，Em = 330 nm (450 nm))具有1个激发峰和2个发射峰，其中200/450 nm峰对应于传统的A峰区域，200/330 nm峰对应于传统的T峰区域，代表类蛋白质(类色氨酸)荧光峰[27]. C3组分(Ex = 255 nm(360 nm)，Em = 470 nm)属于长波类腐殖质，以腐殖酸为代表，相对于C1而言，更长的激发和发射峰揭示了C3的更大分子量，被认为是传统陆源类腐殖峰A和C的组合. 其中，C1、C3的激发波长、发射波长与Ishii等[28]的研究一致，C1、C2的激发波长与蔡文良等[26]的研究结果相比发生了蓝移，发射波长发生了红移.
图4 平行因子分析得到的鄱阳湖水样中3个荧光组分(C1、C2和C3)
2.3.3 不同分子量DOM中荧光组分的分布特征 3种荧光组分C1、C2、C3在水样中所占比例为C1>C2>C3(图5a). 图5列出了各个点位水样DOM中3种荧光组分C1(图5b)、C2(图5c)、C3(图5d)在不同分子量DOM中的分布：60%～73%的C1组分分布在LMW组分中，67%～93%的C2组分分布在HMW组分中，C3组分在几乎平均分布在LMW、HMW部分中. 3种荧光组分的分子量分布特征可结合章节2.3.2中其各自包含的传统荧光峰来分析，C峰与M峰相比主要由一些难降解的大分子量物质组成，而T峰代表大分子蛋白类有机物，因此就分子量而言，C2>C3>C1. Yao等[7]通过主成分分析发现C2组分(主要分布于HMW-DOM中)主要来源于长江来水的补给，结合前文距长江较近几个点位(如都昌对面、都昌南山)的DOC浓度与分子量分布，长江来水补给的相对高C2组分可能是此处高DOC浓度与高HMW-DOM比例的原因.
图5 各点位水样中3个荧光组分所占比例(a)及在不同分子量DOM中的分布(b、c、d)
2.3.4 光谱参数 鄱阳湖9个样点水样的一些光谱参数值可见(表2)，每个样点SUVA254最大的值均为HMW部分，其次一般为未分级DOM，最后为LMW部分(鄱阳湖站、白沙洲站、朱袍山站除外)，与其他文献中描述的地表水体中HMW组分芳香性一般大于LMW组分的规律性一致[29]；各样点之间LMW组分的SUVA差别不大，吴城、朱港农场、鲤鱼洲、都昌对面、都昌南山的未分级DOM和HMW组分高于其他样点，可能与河流输送的污染物有关，说明水体芳香度主要受人为输入的控制.
表2 鄱阳湖不同点位水样不同分子量的光谱参数
FIX反映了芳香族与非芳香族DOM的相对贡献，总体而言与DOM的芳香度呈负相关[30]，可以提供关于DOM样品的来源或降解程度的信息. 陆源和微生物来源DOM的FIX值分别为1.4和1.9，FIX>1.9时，表示DOM来源主要以内源(微生物活动、藻类活动)为主，自生源特征明显；FIX<1.4时，DOM则主要源于陆源(外源输入)[30]. 鄱阳湖9个样点FIX值基本在1.4以下，呈现显著的陆源特征，与Yan等的研究结果一致[31]；除鄱阳湖站外，各点位水样中LMW组分的FIX值均大于HMW组分，说明内源(微生物来源)的基团主要分布在LMW组分中，而陆源DOM主要分布在HMW组分中，与先前研究结果一致[32].BIX值作为DOM来源的指示参数[33]，用于确定β荧光团的存在，这是表示水样中原生生物活性的特征.BIX值可用于评估样本中微生物来源的DOM的相对贡献率[34]，高的BIX值指示样品中较高的自生源贡献率，低的BIX值指示人为来源.BIX值基本处于0.6～0.8之间，表明自生源贡献的DOM较少[19]；LMW-DOM的BIX值大于HMW-DOM和bulk DOM，说明各点位的LMW部分具有较强新生自生源特征，自生源DOM主要分布在LMW组分. 各点位之间FIX值和BIX值差别不大，但鄱阳湖站、都昌南山、都昌对面3处的FIX和BIX值均略小于其他样点，说明陆源DOM比例高于别处；结合2.2节DOC分布特征中这3处DOC和HMW-DOM比例偏高的特征，表明这3个样点附近可能有高于其他点位的人为干扰，可能与丰水期长江来水倒灌鄱阳湖的现象有关[7].
图6 各种重金属元素在鄱阳湖LMW-DOM、HMW-DOM中的占比
2.4 重金属元素浓度及分布
从各点位未进行分级水样中重金属元素浓度来看，鄱阳湖水体重金属浓度排序为：Zn>Cu>Pb>Cr>Cd，与其他文献测定的土壤/底泥中重金属浓度排序(Zn>Pb>Cr>Cu>Cd)相比[8]，Cu在水样中具有较高的浓度. 其原因可能与Cu对DOM较强的络合能力有关，已有研究通过EEM-PARAFAC技术发现Cu与DOM存在较好的荧光淬灭现象，证明Cu与DOM之间相互作用较强[35].
通过配对样本均值检验(pair-samplet-test)对LMW-DOM和HMW-DOM中的重金属浓度高低进行比较(表3)，除Cr、Co、Cu、Zn这几种重金属在LMW和HMW组分中含量在0.05的显著性水平上无显著差异外，其余元素在不同分子量DOM中的分布差异显著，置信度基本达到95%以上(除了Cd为93%). 结合图6重金属元素在鄱阳湖LMW-DOM、HMW-DOM中的占比，发现Co、Ni、Cu、Zn几种元素在LMW、HMW组分中的分布基本相当(与不同分子量中分布差异不显著的样本均值检验结果相符)； Se(63%)、Cd(71%)、Sb(75%)、As(76%)、Ba(84%)主要分布在LMW组分，Cr(63%)、Mn(73%)大部分分布在HMW组分，Fe、Pb则绝大部分(>90%)分布在HMW组分. Fe主要分布在HMW-DOM中可能是由于主要分布在LMW-DOM中的C1对Fe的络合能力最低[28]；Pb的分布则与其他文献中与分子量小于0.5 ku的DOM结合系数最高的规律有所出入[36]. 由各种重金属在不同分子量DOM中的分布可见主要分布在LMW组分中的重金属元素种类较多，但由于主要分布在HMW组分中的重金属(Fe、Pb)浓度高于其他元素，因此HMW-DOM中的重金属(0.080 mg/L)大于LMW-DOM(0.046 mg/L). 由此可见DOM与重金属的结合能力不能一概而论，需要结合不同的重金属种类分别进行讨论，可在今后的研究中通过荧光淬灭等手段进行探讨.
表3 各种重金属元素在鄱阳湖LMW-DOM、HMW-DOM中的分布(单位：×10-2 μg/L)及均值检验P值
主要分布在HMW组分的4种重金属元素Fe、Pb、Mn、Cr中，Fe 94%分布在HMW组分，与长江河口的86.19%[37]、美国新泽西mullica河的80%[38]以及意大利Venice Lagoon的87.4%[39]接近，与其他人的研究共同呈现出绝大部分分布在HMW组分的规律； Pb在HMW组分中分布占全量的93%，与美国新泽西mullica河(88%)[38]接近，符合其他文献中Pb以胶体态为主(12%～100%)的结论[40]；HMW组分中Mn占全量的73%，高于长江口(60.63%)[32]和意大利Venice Lagoon(54%)[39]；Cr 63%分布在HMW组分中，高于长江口(42.27%)[37]. 其余重金属元素中，Cu 55%分布在HMW-DOM中，与长江河口(67.1%)[37]和英国梅德韦河(53%)类似[41]，但明显高于太湖(22.3%)[42]. Zn 50%分布在HMW组分，略低于长江口(58.91%)[37]. Ni在HMW组分分布平均占总量的44%，低于长江口的53.14%[37]，但总体来说在HMW与LMW中的分布相差不大，与前人研究一致[43]. As 24%分布在HMW组分，低于长江河口的59.43%[37].
计算各种金属元素在LMW-DOM和HMW-DOM中的浓度标准差，除As、Se、Cd、Ba外，其余重金属在HMW-DOM中浓度的标准差均大于其在LMW-DOM中的标准差，说明鄱阳湖区水体中重金属元素的差异性主要存在于HMW-DOM中. 结合前面2.3节部分采用平行因子分析得出的陆源DOM主要分布在HMW组分中的结论，说明鄱阳湖区水体重金属含量的分异主要受沿岸土壤径流及人为输入(工业污水和生活污水)影响[44].
2.5 重金属浓度与各项指标相关性分析
进一步研究发现，鄱阳湖水体重金属浓度与未分级DOM各项指标之间的相关性大多不显著(表4)，可能是因为环境中重金属丰度不仅与DOM浓度和其与DOM相互作用的强弱有关，也可能与上游排放和其他环境因素有关[45]. 表4中相关性显著(P<0.05)的关系共4对，其中Cr、Cu与C3组分占比呈中高度正相关(r>0.7)，Cr与C2组分占比呈中度正相关(0.5
表4 鄱阳湖水体重金属浓度与未分级DOM各项指标的相关性分析
以上为LMW-DOM、HMW-DOM、bulk DOM中各种重金属浓度与各项指标的讨论. 3种DOM之间进行总体比较的话，发现HMW-DOM溶液中的重金属浓度与各项指标的皮尔森相关系数r(0.36)高于LMW-DOM(0.30)和bulk DOM(0.29)溶液，且总体平均P值(0.42)也低于LMW-DOM(0.48)和bulk DOM(0.50). 总体而言，重金属在HMW-DOM中与其他指标的相关系数与显著程度大于其他分子量DOM. 结合2.4节中重金属在HMW组分中标准差往往大于LMW组分的特征，说明重金属离子在各采样点的分异主要受HMW-DOM的影响.
3 结论
1)丰水期的鄱阳湖水体DOC浓度较低，平均为1.95±0.33 mg/L. 鄱阳湖站、都昌南山以及都昌对面3个点位的DOC浓度高于其他点位，其中都昌南山、都昌对面2个点位的HMW-DOM比例也显著高于其他点位，可能是丰水期长江来水倒灌鄱阳湖的原因. 总体来说，鄱阳湖水体中LMW和HMW组分对DOC总量的贡献基本相当.
2)采用EEM-PARAFAC技术从水中DOM提取出C1、C2、C3三个类腐殖组分，其中C1组分70%分布在LMW组分中，C2组分83%分布在HMW组分中，C3组分在不同分子量DOM中的分布基本相当，可能与各组分分别含有的传统荧光峰M峰、T峰、C峰的性质有关. LMW-DOM具有更强的自生源特征，HMW-DOM则具有更强的陆源特征和更高的芳香性，说明水体DOM芳香度受人为输入的陆源DOM影响较大.
3)探讨了各类重金属元素在鄱阳湖各点位HMW-DOM和LMW-DOM中的分布，其中Se、Cd、Sb、As、Ba主要分布在LMW-DOM中，Co、Ni、Cu、Zn元素在LMW-DOM、HMW-DOM中的分布基本相当，Cr、Mn主要分布在HMW组分，Fe、Pb则绝大部分分布在HMW组分.
4)HMW-DOM溶液中的重金属浓度与各项指标的相关程度和显著性(r=0.36，P=0.42)明显优于LMW-DOM(r=0.30，P=0.48)和bulk DOM(r=0.29，P=0.50)溶液，且相关性显著的关系数量也高于LMW-DOM和bulk DOM，说明重金属离子在各采样点的分异主要与HMW-DOM性质相关.
