涇渭河交匯區(qū)域平水期水體和表層沉積物溶解性有機質(zhì)的光譜性質(zhì)

范春輝，常 敏，張穎超

1.陜西科技大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710021 2.清華大學環(huán)境學院，北京 100084

涇渭河交匯區(qū)域平水期水體和表層沉積物溶解性有機質(zhì)的光譜性質(zhì)

范春輝1，常 敏1，張穎超2

1.陜西科技大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710021 2.清華大學環(huán)境學院，北京 100084

溶解性有機質(zhì)；光譜性質(zhì)；水體；沉積物

引 言

溶解性有機質(zhì) (Dissolved Organic Matter, DOM) 是一類穩(wěn)定性較強、分子量分布較寬、組分結構復雜的天然有機高分子混合物，廣泛分布于地表水體、土壤圈、泥炭、沉積物、海洋等各類生態(tài)系統(tǒng)中[1]。DOM富含羥基、羧基、羰基等活性官能團，對于生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化影響較大。DOM來源于外源輸入和內(nèi)源釋放兩種途徑，國內(nèi)外學者對其源解析、組分分級、賦存特征和轉(zhuǎn)化行為等方面[2]做了大量探索性工作，發(fā)現(xiàn)DOM性質(zhì)因時空條件不同而有異，這種DOM的非均質(zhì)性也給相關研究帶來了很大的不確定性。

河流是陸地與海洋聯(lián)系的紐帶，其層次分化不明顯，自凈能力較強，在生物圈的功能定位較為特殊。水體和水體沉積物是DOM的重要歸宿和存在媒介[3]，深入識別河流水體及沉積物DOM的性質(zhì)差異，對于定性分析物質(zhì)循環(huán)的動態(tài)路徑和可能歸趨，了解共存污染物的生物地球化學行為和生態(tài)環(huán)境效應意義重大。目前同類研究還不充分，同時限于研究尺度的局限性和分析對象的差異性(時空條件、地質(zhì)條件、環(huán)境條件、社會條件等)，相關結果的精準性和科學性尚有待完善和驗證[4]。

渭河是黃河最大支流，而涇河則是渭河一級支流，同時也是黃河水系輸沙量最大的二級支流。渭河和涇河的交匯區(qū)域形成了獨具特色的“涇渭分明”景觀和典型的濕地生態(tài)系統(tǒng)；在全球水體污染狀況日趨復雜的背景下，渭河及涇渭流域的環(huán)境質(zhì)量一直受到相關部門的優(yōu)先關注。前期工作明確了工業(yè)廢水DOM的動態(tài)變化規(guī)律，以及土壤圈體系DOM與固碳減排的構效關系；本文引入元素分析、UV、FTIR、Raman、3D-EEMs、NMR等手段，全面揭示涇渭交匯區(qū)域(陜西西安高陵段)平水期水體及表層沉積物DOM的理化性質(zhì)，力圖為后續(xù)涇渭流域的功能定位、污染防控、生態(tài)恢復和可持續(xù)開發(fā)利用提供參考和借鑒。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

水體和表層沉積物樣品取自涇渭河交匯區(qū)域之渭河陜西西安高陵段，具體為渭河大橋(涇渭路)北岸，橋下河流下游(50±1)m處 (如圖1所示)。本文僅全面定性分析此處水體和沉積物DOM的光譜性質(zhì)，其他取樣點樣品性質(zhì)將在后續(xù)文章中體現(xiàn)。樣品采集時間為2014年11月1日下午14—17點，當天天氣晴好，風速適中，水體流量穩(wěn)定，水體溫度為(11.0±0.1)℃。采集水樣時，將干凈的廣口瓶現(xiàn)場潤洗3遍后，浸入水面下(30±1)cm，沿順水流方向采樣；使用自制柱狀采樣器采集(20±1)cm厚沉積物樣品，取樣深度為沉積物表層下(10±1)cm處 (此深度沉積物可以直接參與水體-沉積物界面的物質(zhì)循環(huán)，具有代表性)，裝入帶封口的聚四氟乙烯樣品袋。除部分參數(shù)現(xiàn)場測定外，所有樣品密封并避光保存后立即帶回實驗室，放入4 ℃冰箱中，并于一周內(nèi)完成全部分析工作。實驗用水體和沉積物樣品部分理化性質(zhì)見表1。

圖1 水體和沉積物采樣點示意

表1 水體和沉積物樣品理化性質(zhì)

注：表1數(shù)據(jù)僅適用于本實驗樣品，不具有其他代表意義；除pH外，其他參數(shù)單位均為mg·L-1

1.2 DOM提取

將水樣于5 000 r·min-1條件下離心5 min，上清液過0.45 μm濾膜后得到水體DOM備用。沉積物樣品去除殘枝、石粒等雜物后冷凍干燥，用研缽將樣品初步磨細；將所得樣品過篩(100目)、超純水混勻后振蕩(24 h, 150 r·min-1, 25 ℃)、離心(5 000 r·min-1, 5 min)、上清液過濾(0.45 μm濾膜) 后，即得沉積物DOM備用[5]。

1.3 光譜分析

元素分析(Vario EL Ⅲ, ELEMERAOR)中的C，H和N含量為實測值，O含量采用差減法求得。紫外光譜(UV2300, 上海天美) 掃描波長為200～400 nm，掃描間隔0.5 nm，狹縫寬1.5 nm，掃描速度400 nm·min-1，以超純水為參比，測定吸光度并繪制紫外全譜圖。紅外光譜(VECTOR-22, BRUKER) 測試采用KBr壓片法，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率2 cm-1，掃描累加次數(shù)32次，樣品與KBr質(zhì)量比約為1∶100。拉曼光譜(INVIA, RENISHAW)掃描范圍3 200～100 cm-1，曝光時間10 s，激光功率1%，累加次數(shù)1次，測試溫度25 ℃。熒光光譜(F-4600, HITACHI) 激發(fā)光源為150 W氙燈，PMT電壓為700 V。波長掃描范圍λex為200～500 nm，λem為250～600 nm；掃描速度1 200 nm·min-1，狹縫寬度10 nm；帶通：λex為10 nm，λem為10 nm；響應時間2 s。核磁共振波譜(ADVANCE Ⅲ 400 MHz, BRUKER)測試條件：13C NMR共振頻率為75.47 MHz，溶劑為CDCl3，累加18 000次；1H NMR共振頻率79.452 MHz，溶劑為DMSO-d6，取樣時間2 s，脈沖間隔4 s。

1.4 質(zhì)量控制

實驗用水為Milli-Q超純水(Millipore, 18.2 MΩ·cm)；KBr等為光譜純，其余常規(guī)試劑為優(yōu)級純。玻璃器皿使用前經(jīng)10% HNO3浸泡24 h，超純水洗凈后備用。利用超純水拉曼光譜強度衡量熒光光譜儀穩(wěn)定性，儀器誤差小于2%。所得數(shù)據(jù)采用Origin軟件處理和繪圖。

2 結果與討論

2.1 元素組成

水體和沉積物樣品DOM的元素分析結果如表2所示。沉積物DOM的C，H和N含量略高于水體DOM，且沉積物DOM的H/C比值大于水體DOM，說明沉積物DOM碳氫飽和度更高，羧基類組分和碳水化合物較多，而芳香類不飽和組分含量較低[6]。同時，沉積物DOM的N/C原子比大于水體DOM，暗示沉積物DOM可能含有更多的氨基糖、多肽和氨基酸等含氮組分。通常認為，河流水體的水位、徑流量、流速等水文狀況復雜多變，氣液固界面及水體的動態(tài)更替行為較頻繁，水體組分的穩(wěn)定性和積累性較差；而沉積物源于河流水體的長期侵蝕、搬運和堆積作用，具有明顯的層理和韻律性二元結構[7]。這種水體和沉積物的性質(zhì)差異為不同種類微生物提供了棲息地，對不同組分的天然積累也創(chuàng)造了客觀條件。

表2 水體和沉積物DOM的元素含量

2.2 UV

水體和沉積物樣品DOM的UV光譜如圖2所示。DOM的吸收強峰位于200～220 nm區(qū)域，表明DOM含有較多不飽和雙鍵共軛結構，其中200 nm附近的極強峰源于水分子和溶解氧的能量吸收效應[8]。隨著紫外吸收波長的增加，吸光度逐漸下降；當波長大于230和350 nm后，水體和沉積物樣品DOM的紫外吸光度極低并趨于不變。水體DOM沒有發(fā)現(xiàn)典型吸收峰，且特征吸收較弱，這與Loiselle[9]的研究結果相符。但沉積物DOM的吸收平臺(240～310 nm)較明顯，這是典型的π→π*躍遷精細結構吸收譜帶，通常源于溶解性蛋白芳香族氨基酸殘基的吸收，以及溶解性有機碳和類腐殖質(zhì)等組分的存在。相比之下，沉積物DOM的UV全譜吸收特征更為復雜，這暗示了水體和沉積物DOM精細組分的結構差異，可能與光化學特性、水力環(huán)境和生物化學過程有關[10]。

圖2 水體(a)和沉積物(b) DOM的紫外光譜

2.3 FTIR

圖3 水體(a)和沉積物(b) DOM的紅外光譜

2.4 Raman

水體和沉積物樣品DOM的Raman光譜詳見圖4?？傮w來看，Raman圖譜走勢較為接近，但水體DOM光譜的整體強度更高。對Raman圖譜各峰進行歸屬，發(fā)現(xiàn)2 400 cm-1附近出現(xiàn)吸收平臺，推測可能為C≡C伸縮振動和C—C倍頻峰之間的費米共振產(chǎn)生；這個譜帶在FTIR圖譜中較弱，但在Raman圖譜中屬于中等強度吸收帶。2 200～1 300 cm-1區(qū)間的密集弱峰信號為苯環(huán)的伸縮振動效應，這種振動引起的分子極化率變化較小，拉曼活性較低。Raman圖譜的最強峰出現(xiàn)在1 200～1 000 cm-1，源于酯類和碳水化合物C—C的伸縮振動峰，也可能存在—CH3的面內(nèi)搖擺振動和C—H面內(nèi)彎曲振動的貢獻[12]。一般認為，環(huán)狀化合物的對稱呼吸振動為最強的拉曼吸收譜帶，本研究結果驗證了這一點；對于該峰，水體DOM較沉積物DOM峰強更大，排除測試力場干擾等因素外，可能更多地暗示DOM精細組分含量和分子結構差異。在555 cm-1附近出現(xiàn)的次強峰為C—X(鹵素)鍵的伸縮振動，其分子構象差異導致兩組Raman圖譜中特征峰性質(zhì)略有區(qū)別。鑒于水體和沉積物DOM的Raman圖譜較為接近，認為Raman圖譜無法給予有效的區(qū)別信息。

圖4 水體(a)和沉積物(b) DOM的拉曼光譜

2.5 3D-EEMs

水體和沉積物樣品DOM的3D-EEMs光譜如圖5所示。水體DOM的熒光峰較為集中，主要分布于λex/em=260/340和λex/em=250/400附近，經(jīng)鑒定分別歸屬為可見光區(qū)類色氨酸(次強峰)和紫外區(qū)類富里酸(最強峰)熒光峰，熒光強度(無量綱)分別為2 517和3 345。其中類色氨酸熒光峰屬于類蛋白熒光峰，通常與DOM中芳環(huán)氨基酸組分相關；這一方面說明河流微生物的活性較強，代謝過程生成的有機物質(zhì)較多，同時也暗示水體DOM的熒光特性存在工業(yè)或生活污水的貢獻[13]。而紫外區(qū)類富里酸熒光峰與DOM結構中的羧基和羰基有關，說明水體DOM以陸源有機質(zhì)為主。除此之外，水體DOM沒有發(fā)現(xiàn)典型可見光區(qū)類富里酸熒光峰和其他類蛋白熒光峰。沉積物DOM的熒光峰同樣較為集中，主要分布于λex/em=250/380(峰強1 789)和λex/em=260/450(峰強2 021)，均屬于紫外區(qū)類富里酸熒光峰。值得注意的是，沉積物DOM圖譜中沒有發(fā)現(xiàn)典型的類蛋白、類多酚、類色氨酸或類酪氨酸類物質(zhì)特征峰，這可能說明與沉積物微生物新陳代謝相關的類蛋白組分含量較低；同時，上述物質(zhì)具有較強的活性和生物有效性，在生物生理活動過程中容易被礦化分解[14]，這可能影響了相應熒光峰的顯現(xiàn)。此外，水體和沉積物中生物質(zhì)殘體腐殖化過程可能會釋放較多的化感物質(zhì)[15]，這些外源組分可能與內(nèi)源組分共同影響熒光光譜的可視性，其中不排除DOM分子的聚集效應、能量轉(zhuǎn)換和熒光猝滅效應導致某些熒光峰被掩蔽或弱化。

圖5 水體(a)和沉積物(b) DOM的三維熒光光譜

2.6 NMR

2.6.113C NMR

水體和沉積物樣品DOM的13C NMR結果見表3。研究表明：DOM的含C官能團可以分為烷基C(0～50 ppm)、烷氧C(50～110 ppm)、芳香C(110～165 ppm)、羧基C(165～190 ppm)和羰基C(190～220 ppm)五類[16]，水體和沉積物DOM的主要含C官能團均為烷基C和烷氧C。水體和沉積物DOM含C官能團具有類似的化學特性和C骨架結構，但水體DOM的芳香C、羧基C和羰基C比例更高。沉積物DOM的烷基C和烷氧C含量略高于水體DOM，表明沉積物DOM的脂族特性更加明顯；同時，略低的芳香C含量暗示了較低的分子氧化程度和復雜性；據(jù)此認為沉積物DOM較為“年輕”，這可能與沉積物體系較高的微生態(tài)活性有關。此外，極性含C官能團(烷氧C、羧基C和羰基C)含量的多寡與極性污染物的吸附量之間具有非絕對的正相關性[17]，這也意味著沉積物DOM可能對污染物具有更大的吸持作用，沉積物的污染負荷和潛在風險值得關注。

表3 水體和沉積物DOM含C官能團結構分布(%)

2.6.21H NMR

水體和沉積物樣品DOM的1H NMR結果如表4所示。DOM的含H官能團歸屬為三個區(qū)域，分別為0.5～2.8 ppm (脂族組分—CH3或—CH2中的H)、2.8～5.5 ppm(脂環(huán)族或連氧碳上的H)和5.5～10.0 ppm(芳香結構中的H)[18]。對0.5～2.8 ppm區(qū)域進行精細劃分，發(fā)現(xiàn)0.5～1.0 ppm區(qū)間為γ-H，源于亞甲基鏈和脂族鏈結構末端—CH3中的H；1.0～1.9和1.9～2.8 ppm區(qū)間分別代表β-H和α-H，歸屬為脂族結構—CH2中的H和與官能團連接的H。2.8～5.5 ppm區(qū)間為碳水化合物、甲氧基類組分和有機胺組分中的活潑H；5.5～10.0 ppm為含氧雜環(huán)等芳香結構中的H。在各類含H官能團結構中，碳水化合物H含量較高，而芳香族H、γ-H等含量較低；沉積物DOM的烷基鏈烴H(Alkyl-H)含量和n值略大于水體，說明沉積物DOM中烷基鏈烴支鏈更長，分支更少，含量更高。這可以與13C NMR結果互為驗證和補充。當然，諸如誘導效應、磁各向異性效應等都會影響基團的分布形態(tài)和化學位移，因此，認為研究結果的精準性還有待深入驗證。

表4 水體和沉積物DOM含H官能團結構分布(%)

光譜聯(lián)用技術對于DOM分子層面解析效果較好，能夠為DOM的全面識別提供關鍵證據(jù)。本研究有效揭示了涇渭河交匯區(qū)域(陜西西安高陵段)水體和沉積物DOM的微觀性質(zhì)，但與同類研究相比，相關結果也有不盡相同之處。比如，馮偉瑩[19]發(fā)現(xiàn)洱海沉積物DOM的熒光組分(四種)更加多樣化，且藻類和水生植物殘體對DOM熒光光譜影響較大；而本文水體和沉積物DOM熒光特征峰數(shù)量較少，推測可能與水體污染性質(zhì)及水循環(huán)體系有關：洱海為(半)封閉性富營養(yǎng)化深水湖泊，而本研究中的實驗樣品采集點徑流量較大、水體交換頻繁，可能影響有機組分的沉積轉(zhuǎn)化、微生物的棲息環(huán)境和DOM的精細組成。不過，這種組分差異也有可能是季節(jié)性變化的結果，因為蔡明紅[20]發(fā)現(xiàn)季節(jié)溫度可能通過影響底棲生物活動規(guī)律而改變DOM的光譜指紋特征。因此，后續(xù)有必要通過大尺度的連續(xù)性研究深度揭示水體和沉積物DOM的動態(tài)行為，其中除了引入先進的現(xiàn)代儀器分析手段外，更要從方法學層面加強環(huán)境數(shù)學模型的應用。

3 結 論

光譜聯(lián)用技術能夠有效揭示DOM樣品的微觀特征。沉積物DOM碳氫飽和度更高，其紫外吸收平臺明顯(240～310 nm)，而水體DOM的吸收平臺幾乎檢測不出。沉積物DOM比水體DOM活性基團更加復雜，但兩者的Raman圖譜非常相似。水體DOM以陸源為主，熒光峰歸屬為可見光區(qū)類色氨酸和紫外區(qū)類富里酸；沉積物DOM熒光峰均屬于紫外區(qū)類富里酸熒光峰。水體和沉積物DOM的含C骨架結構類似，但沉積物DOM的脂族特性更突出；1H NMR證實碳水化合物H含量較高，沉積物DOM烷基鏈烴H含量和n值略大于水體DOM。這種水體和沉積物DOM的光譜差異也暗示了其對水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)調(diào)控的異質(zhì)性貢獻。后續(xù)應加強環(huán)境數(shù)學模型的引入，進而完善并驗證光譜研究體系的科學性。

[1] Yang X M, Wander M M.Soil and Tillage Research, 1999, 52: 1.

[2] Kalbitz K, Solinger S, Park J H, et al.Soil Science, 2000, 165: 277.

[3] García-Ortega S, Holliman P J, Jones D L.Chemosphere, 2011, 83: 1117.

[4] Delgado-Moreno L, Wu L S, Gan J.Aquatic Toxicology, 2015, 165: 129.

[5] Ohno T, Bro R.Soil Science Society of America Journal, 2006, 70: 2028.

[6] Christensen J B, Jensen D L, Gron C, et al.Water Research, 1998, 32: 125.

[7] Chen M, Hur J.Water Research, 2015, 79: 10.

[8] HAO Rui-xia, CAO Ke-xin, ZHAO Gang, et al(郝瑞霞, 曹可心, 趙 鋼, 等).Journal of Beijing University of Technology(北京工業(yè)大學學報), 2006, 32: 1062.

[9] Loiselle S A, Bracchini L, Dattilo A M, et al.Limnology and Oceanography, 2009, 54: 590.

[10] Schindler D W, Curtis P J, Parker B R, et al.Nature, 1996, 379: 705.

[11] Morrison R T, Boyd R N.Organic Chemistry (5th Edition).Newton, Massachussete: Allyn and Bacon, Inc.1987.574.

[12] Koyama Y, Long R A, Martin W G, et al.Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics, 1979, 548: 153.

[13] Baker A.Environmental Science and Technology, 2001, 35: 948.

[14] Kalbitz K, Schmerwitz J, Schwesig D, et al.Geoderma, 2003, 113: 273.

[15] Pillinger J M, Cooper J A, Ridge I.Journal of Chemical Ecology, 1994, 20: 1557.

[16] Cortés-Francisco N, Harir M, Lucio M, et al.Water Research, 2014, 67: 154.

[17] Zhang F F, Harir M, Moritz F, et al.Water Research, 2014, 57: 280.

[18] Abdulla H A N, Minor E C, Dias R F, et al.Geochimica et Cosmochimica Acta, 2013, 118: 231.

[19] FENG Wei-ying, WANG Sheng-rui, ZHANG Sheng, et al(馮偉瑩, 王圣瑞, 張 生, 等).Environmental Chemistry(環(huán)境化學), 2014, 33: 229.

[20] CAI Ming-hong, XIAO Yi-hua, WANG Feng, et al(蔡明紅, 肖宜華, 王 峰, 等).Acta Oceanologica Sinica(海洋學報), 2012, 34: 102.

(Received Oct.1, 2015; accepted Feb.26, 2016)

Spectral Characteristics of Dissolved Organic Matter (DOM) Derived from Water and Sediment in Normal Flow Period of the Intersection Zone of Jing River and Wei River

FAN Chun-hui1, CHANG Min1, ZHANG Ying-chao2

1.School of Environmental Science & Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China 2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Dissolved organic matter (DOM); Spectral characteristics; Water; Sediment

2015-10-01，

2016-02-26

國家自然科學基金項目(21407103), 中國博士后科學基金項目(2012M511968)和陜西科技大學科研基金項目(2014xhbz-06)資助

范春輝, 1982年生, 陜西科技大學環(huán)境科學與工程學院講師 e-mail: frank_van391@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2863-07