不同丰枯情景下长江三角洲非通江湖泊(滆湖、淀山湖和阳澄湖)有色可溶性有机物组成特征

长三角地区大部分湖泊为非通江湖泊,地势低平,港汊及闸坝众多,水流宣泄不畅,水力滞留时间较长,加之周边地区城镇人口稠密.因此与水滞留时间短的通江湖泊相比,非通江湖泊的有色可溶性有机物(CDOM)来源和组成具有差异性.本文选取了3个重要的中型非通江供水湖泊——滆湖、淀山湖和阳澄湖,对枯水期、平水期、丰水期3种水文情景下CDOM组成结构变化特征进行分析,从而进一步揭示该类湖泊CDOM来源和对水文情景响应的内在机理.结果表明:滆湖、淀山湖和阳澄湖通过平行因子分析法得到2种类腐殖质(C1和C4)和2种类蛋白质(C2和C3),湖泊CDOM结构受到降雨事件和人类活动的双重影响.三个湖泊类蛋白质的高值在空间上主要集中在人类活动频繁的湖区,并且类蛋白质平均荧光强度与叶绿素a浓度相关性较差,说明湖泊类蛋白质组分受到内源藻类降解、外源人类生产生活排放双重作用的影响.三个湖泊类蛋白质的平均荧光强度和总氮浓度均在枯水期显著高于丰水期,说明降雨量的增加可以稀释湖泊有机质浓度;同时,陆源类腐殖质C1与溶解性有机碳、总氮、总磷、叶绿素a浓度呈显著正相关,并且随着降雨量增加,类蛋白质的占比逐渐降低,滆湖从86.84%降低至62.49%,淀山湖从96.53%降低至90.56%,阳澄湖从98.40%降低至96.26%,说明降雨事件也可以增强径流的冲刷作用,携带更多腐殖化程度高的陆源有机质进入湖泊.本研究发现降雨过程和人类活动共同作用于滆湖、淀山湖和阳澄湖CDOM库,研究结果可以为进一步保障太湖流域人类用水安全提供参考依据.     

高邮湖、南四湖和东平湖有色可溶性有机物来源组成特征

高邮湖、南四湖和东平湖作为南水北调东线枢纽湖泊,其水质状况对保障调水安全起到关键性作用本文运用三维荧光光谱平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)分析了3个湖泊在不同水文情景下有色可溶性有机物(CDOM)吸收、荧光光谱特征以及荧光组分与主要水质参数的相关性,以探究3个湖泊CDOM来源组成特征结果表明,平行因子分析法解析CDOM三维荧光图谱,得到陆源类腐殖质C1、类色氨酸C2和类酪氨酸C3不同水文情景对高邮湖CDOM来源与结构组成影响较明显,丰水期其类腐殖质荧光强度显著大于枯水期(t-test,P0.01),并且与a(254)呈正相关(R~2=0.85,P0.01),表明类腐殖质是CDOM主要部分,该荧光组分贡献率可达50%[F_(max)C1/(F_(max)C1+F_(max)C2+F_(max)C3)×100%],高邮湖受到入湖河流来水的影响较大,丰水期入湖口附近荧光强度明显高于其他水域东平湖和南四湖CDOM来源组成特征相似,丰水期东平湖和南四湖组分C2和C3显著低于枯水期(t-test,P0.01),两湖泊枯水期工农业等人为污染源影响较大相关性分析表明高邮湖中类腐殖质荧光特征在一定程度是能反演DOC浓度,并且类腐殖质的输入会增加湖泊总磷、总氮和叶绿素a浓度而东平湖和南四湖CDOM荧光特征与主要水质参数的相关性较差,这与高邮湖水体存在较大差异.     

基于紫外-可见光吸收光谱和三维荧光光谱的腐殖酸光降解组分特征分析

湖泊生态系统作为自然界重要的碳库,光照强度的变化对于湖泊的碳循环过程可能产生重要的影响.以云南老君山高山湖泊天才湖周边土壤中的腐殖酸作为外源溶解性有机物（DOM）的代表物,通过腐殖酸模拟光降解实验,考察光照强度对外源DOM光降解过程的影响.研究结果表明：腐殖酸光吸收系数a₄₄₀、465 nm和665 nm波长处吸光度比值E₄/E₆的下降幅度均为：对照组 < 20 W光照组 < 40 W光照组,a₄₄₀、E₄/E₆和光谱斜率S_R显著相关,表明紫外辐射使得腐殖酸溶液浓度降低、相对分子量下降,且光照强度越强,腐殖酸的光降解程度越大.通过EEM-PARAFAC模型识别出光降解过程中腐殖酸溶液中含有5种荧光组分：UV类腐殖质（C1）、UVA类腐殖质（C2）、类色氨酸（C3）、UVC类腐殖质（C4）和类络氨酸（C5）.40 W光照组中4种荧光组分的降解程度与降解速率均大于20 W光照组,降解程度均为：C4 > C3 > C2 > C1,降解速率为C2 > C4 > C3 > C1,说明不同的荧光组分对光照强度的响应不同.该研究有助于阐明外源DOM的光降解途径与归趋.     

微生物降解及自团聚作用对鄱阳湖流域瑶湖水中不同粒径胶体荧光物质变化的影响

了解城市内湖水中胶体的环境行为对研究湖泊水环境中污染物的迁移转化意义重大.微生物降解及自团聚过程是湖泊水体中胶体转化的重要途径,然而目前有关不同粒径胶体在微生物降解及自团聚作用下荧光特性变化的报道还非常少.基于此,本文选取南昌市内最大的湖泊（瑶湖）及其支流水体,通过切向超滤技术、三维荧光光谱法及平行因子分析法（PARAFAC）,分析了在灭菌及微生物存在下两种水样含不同粒径胶体的水体（即W_原水、W_{1 μm}、W_{0.45 μm}和W_{1 kDa}）中荧光特性的变化情况.通过PARAFAC模型共解析出3个类腐殖质组分（C1~C3）和1个类蛋白质组分（C4）.初始时刻所有水样均以类腐殖质组分含量更高,且大都集中在1 kDa~0.45 μm粒径胶体中.两种水样荧光物质的减少为微生物降解及自团聚作用共同主导,自团聚作用约占50%.相较于小粒径（W_{1 kDa}）胶体,微生物降解对大（W_原水）、中（W_{1 μm}）粒径胶体中荧光物质减少的影响更大.此外,类蛋白物质主要以微生物降解占主导,并出现类蛋白物质从大粒径向小粒径胶体转移的现象;而类腐殖物质的降解以自团聚作用为主,并出现类腐殖物质由小粒径向大粒径胶体的转移.     

新疆艾比湖流域枯、丰水期三维荧光光谱特性及其与水质的关系

以艾比湖流域主要入湖河流为研究对象,在5月（丰水期）和8月（枯水期）分别沿博尔塔拉河（博河）和精河进行采样,采用平行因子模型（PARAFAC）和三维荧光区域积分法对水体三维荧光特性进行研究并对其与水质的关系在枯、丰水期下的变化进行探讨.结果表明①河流DOM在枯水期与丰水期都含有C1（240、425 nm） UVC类腐殖质,C2（225、290 nm）紫外区内络氨酸类有机物,C3（230/280、330 nm）蛋白类有机物,C4（265、260 nm）腐殖质类共4种组分.通过对水体三维荧光进行区域积分可以看出DOM荧光成分的占比在不同时期的变化.博河在枯水期时EEM光谱中的区域Ⅲ富里酸含量低于丰水期,枯水期时区域Ⅱ芳香类蛋白质、区域Ⅳ可溶性微生物代谢物以及区域Ⅴ类腐殖质酸高于丰水期;对于精河来说,区域Ⅱ芳香类蛋白质和区域Ⅳ可溶性微生物代谢物在枯水期的含量高于丰水期,区域Ⅲ富里酸和区域Ⅴ类腐殖质酸的含量枯水期低于丰水期,这表明水体腐质化程度较高.②本研究选取了一些常规的荧光指数来描述枯、丰水期水体的荧光指数特性.经研究发现,精河的荧光指数、自生源指数和腐殖化指数在不同时期的变化幅度较小,而博河的变化幅度较大.③将荧光指数与水质参数进行相关性分析并建模,结果表明枯水期自生源指数（BIX）与化学需氧量呈显著正相关,相关系数R=0.688;丰水期时BIX与铵态氮浓度呈显著负相关,相关系数R=-0.493.通过对比分析艾比湖主要入湖河流的三维荧光光谱特性与水质在枯、丰水期时的关系进一步表明水体中DOM的特性以及在枯、丰水期下的差异,为艾比湖流域的治理改善提供一定的理论支持和参考依据.     

洱海沉积物有色可溶性有机物(CDOM)三维荧光空间分布特性及指示意义

采用荧光光谱区域体积积分法定量研究洱海沉积物有色可溶性有机物（CDOM）三维荧光空间分布特性,结果表明,洱海沉积物CDOM中类腐殖酸组分占比最高（44.5%~74.2%）,其次为溶解性微生物代谢产物（10.7%~20.4%）和类富里酸物质（8.19%~19.7%）,而类蛋白组分占比最低,类腐殖酸占比与H/C和N/C均呈显著负相关;南部湖心平台区域沉积物类富里酸和类蛋白组分占比较高,其CDOM自生源占比较高;北部水生植物分布区溶解性微生物代谢产物占比较高,CDOM陆源性较强;中部深水区及南北湖湾区域类腐殖酸占比较高,随水深增加沉积物CDOM自生源特征增强.随沉积物深度增加类腐殖酸和溶解性微生物代谢产物占比呈下降趋势,类富里酸占比呈上升趋势,CDOM自生源特征增强,脂肪化程度增高.随湖泊富营养化程度增加沉积物CDOM受微生物代谢产物影响增强,陆源性增加,而自生源性降低,湖泊沉积物CDOM具有富营养化指示意义.     

草源型可溶性有机物降解过程中活性氧物种产生过程

活性氧物种(ROS)参与天然水体系统中的光化学反应、氧化还原反应,是影响水体中有机污染物的迁移、转化、环境归宿及生态效应的重要因素.然而目前对草源型可溶性有机物(DOM)分解过程中ROS的产生过程并不清楚.本文通过室内模拟实验首先构建了室内测定3种ROS(~3CDOM~*、~1O_2、·OH)的方法,进而分析草源植物——苔草(Carex tristachya)残体浸出液中DOM光降解过程中ROS的产生过程.结果表明:ROS累积含量的产生随着DOM的降解逐渐升高在3种自由基含量中,~3CDOM*的产生含量最多,·OH产生含量低于另外2种ROS两个数量级.CDOM含量与~3CDOM~*、~1O2、·OH浓度呈现正相关关系,尤其与~3CDOM~*和~1O_2浓度的显著性水平最高,·OH次之.ROS浓度与水质指标呈现出不同的线性相关关系,与硝态氮浓度呈负相关关系,而与亚硝态氮浓度呈现正相关关系,并且亚硝态氮对ROS浓度影响效果极显著.同时类蛋白荧光峰值强度的衰减与ROS累积含量呈现极显著负相关关系,脱明在DOM的光降解过程中蛋白质小分子的降解是产生ROS很重要的一个部分.综上通过对草源型DOM光降解过程中ROS产生过程的研究,增加了对湖泊生态系统中水生植物产生ROS的过程、迁移、转化、归宿及其作用机制的认识.     

“引江济太”水系有色溶解有机质的特征与来源

在"引江济太"水系的调查基础上,分析了有色溶解有机质(CDOM)的吸收光谱、荧光特性及其主要来源,探讨了CDOM与pH、DO、叶绿素a等水质指标的关系。结果表明:水体吸收系数a(355)与CDOM浓度呈显著正相关,均具有明显的空间差异,它们在河道出入湖口及开阔湖区较低,而在望虞河和太浦河中游较高,这显然与中游河道受纳了两岸污水有关,S值也表明望虞河受外源输入影响最大。通过三维荧光激发-发射矩阵(EEM)分析,发现了5种荧光团,包括2种类蛋白荧光团和3种类腐殖质荧光团,其中类蛋白荧光(特别是T峰)明显强于类腐殖质荧光。研究发现,水体DO浓度、pH值均随CDOM浓度呈指数函数递减。荧光指数(FI)明显偏向生物来源(约1.9),因此,"引江济太"水系CDOM以生物的本地生产为主,河道局部污染水体中的类腐殖质荧光可能来源于污水微生物对藻类产生的溶解有机质的转化,在局部河道中也有一定的外源输入。     

新建人工深水湖泊沉积物上覆水和孔隙水中溶解性有机质的光谱特征

为了揭示湖库内源性污染物的分布、来源、组成及垂向分布特征,以新建人工深水湖泊龙景湖为研究对象,采用紫外-可见光谱和三维荧光光谱技术,研究了该湖泊以成湖前用途划分的3个特征区域(原河道底部、新淹没区底部和新淹没区边坡)的沉积物上覆水和孔隙水中的溶解性有机质(DOM)的光谱特征.结果表明,孔隙水中的DOM芳香性和腐殖化程度高于上覆水;孔隙水中疏水组分含量大于上覆水,且水体中可能存在内源孔隙水释放的低分子量DOM.龙景湖上覆水和孔隙水中的DOM主要源于水体自身的微生物,自生源特征明显,且可能存在新近释放到水体的有机质.龙景湖沉积物上覆水和孔隙水中的DOM以类腐殖酸和类蛋白质为主,且随着深度增加,类腐殖酸峰强度增强,与龙景湖的建湖背景有明显联系.     

珠江口沉积物溶解性有机质来源及光谱特征的空间变化

作为海陆交互作用的重要区域,河口在海洋碳循环中扮演着重要角色.近年来,溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)在河口区的来源、降解和保存一直是关注的热点.本研究结合三维荧光光谱和紫外可见吸收光谱,对珠江口3个沉积柱(S1、S2、S3站位,盐度依次增加)孔隙水溶解性有机质的空间分布和来源进行了表征分析.利用平行因子分析(parallel factor analysis,PARAFAC)方法对三维荧光光谱数据进行解析共得到5种荧光组分:类腐殖质组分C1、C3、C4,以及类蛋白荧光组分C2和C5.三个站位的C2组分同沉积物微生物DNA浓度表现出显著的正相关关系(R²=0.69,P<0.01),说明类蛋白组分C2可能主要来源于原位微生物的分解代谢.C5同DNA浓度相关性较弱(R²=0.40,P<0.05),推测是混入了荧光峰同类蛋白组分十分接近的酚类化合物所致.类腐殖质荧光组分来源复杂,S1站位类腐殖质荧光组分含量最高(1.45~8.83R.U.),推测是受到了显著的陆源输入影响.S2和S3站位3种类腐殖质荧光组分含量很低(<1R.U.),且分布规律十分相似,可能主要来源于水体和沉积物藻类微生物的代谢释放.三个站位的腐质化指标HIX随深度增加,类蛋白组分荧光相对含量随深度降低,并且同指示DOM分子量的光谱斜率比值S_R分别呈显著的负相关和正相关关系.这说明从沉积物表层到深层,DOM由低分子量的类蛋白组分向高分子量的类腐殖质组分过渡.本研究结果对理解河口区沉积物中的孔隙水DOM分子量/活性模型(pore water size/reactivity,PWSR)以及DOM的生物有机地球化学过程提供了补充参考.     

Optical properties of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in surface and pore waters adjacent to an oil well in a southern California salt marsh

Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) optical properties were measured in surface and pore waters as a function of depth and distance from an oil well in a southern California salt marsh. Higher fluorescence and absorbances in pore vs. surface waters suggest soil pore water is a reservoir of CDOM in the marsh. Protein-like fluorophores in pore waters at distinct depths corresponded to variations in sulfate depletion and Fe(II) concentrations from anaerobic microbial activity. These variations were supported by fluorescence indexes and are consistent with differences in optical molecular weight and aromaticity indicators. Fluorescence indices were consistent with autochthonous material of aquatic origin in surface waters, with more terrestrial, humified allochthonous material in deeper pore waters. CDOM optical properties were consistent with significantly enhanced microbial activity in regions closest to the oil well, along with a three-dimensional excitation/emission matrix fluorescence spectrum peak attributable to oil, suggesting anaerobic microbial degradation of oil.     

蓝藻水华暴发和衰亡对太湖有色可溶性有机物的影响

利用平行因子分析(PARAFAC)技术对藻华暴发季节太湖梅梁湾和开敞区水样中有色可溶性有机物(CDOM)的三维荧光光谱进行分析,获得代表类酪氨酸、类色氨酸和类腐殖酸等3种荧光组分,这3个组分的荧光得分值均与叶绿素a浓度呈极显著正相关,其中类腐殖酸物质荧光得分值占总分值的比例也与叶绿素a浓度极显著正相关,由此可以推测,蓝藻水华可能是太湖CDOM的一个重要来源,并极大地影响了湖泊CDOM的组成结构.为进一步探索蓝藻水华对湖泊CDOM的影响,于太湖梅梁湾湖岸进行藻华暴发和衰亡模拟试验.PARAFAC结果显示,模拟试验水样CDOM的三维荧光图谱同样含有3个组分,其中类酪氨酸和类色氨酸荧光峰位置与湖泊水样基本相同,而类腐殖酸物质荧光峰则有一定程度的蓝移,表明培养试验中有新的内源类腐殖酸物质产生.利用PARAFAC模型中的得分值计算后发现,初始叶绿素a浓度越高,类腐殖酸物质所占比例越大,而实验结束时添加了高浓度和中等浓度藻的2个处理中类腐殖酸物质对荧光的贡献率也有显著提高.因此,藻华的长期暴发可以显著改变湖泊CDOM的组成,导致类腐殖酸物质比例提高.     

Higher reactivity of allochthonous vs. autochthonous DOC sources in a shallow lake

Dissolved organic carbon (DOC) reactivity in aquatic systems is essentially dependent on DOC precursor material and on the processes regulating its bioavailability, especially photodegradation and microbial activity. We investigated temporal changes (from hours to weeks) in the reactivity of allochthonous and autochthonous DOC sources in a macrophyte-dominated shallow lake using a set of incubation experiments. Changes in DOC fluorescence and absorbance properties due to biodegradation (BD) and to the combined effect of photo- and biodegradation (UV + BD) were traced. Allochthonous DOC was more reactive than autochthonous DOC (AutoDOC), showing higher DOC losses (between 22 and 36 %) and faster changes in DOC properties than AutoDOC. The effect of UV + BD was larger than BD alone for both sources of DOC. The rates of change of DOC properties were stronger during the first days of incubation and showed no regular pattern for any of the treatments or DOC sources. Our findings highlight the relevance of the timescale when assessing changes in DOC quality under different degradation pathways, as well as the need of discussing the labile character usually attributed to autochthonous DOC in systems dominated by submerged vegetation, as many shallow lakes or lagoons.     

Photochemical activity and fluorescence of electrophoretic fractions of aquatic humic matter

A combination of sephadex gel-chromatography and polyacrylamide gel electrophoresis was used to obtain stable electrophoretic fractions with different molecular sizes from a preparation of humic substances isolated from river water by reverse osmosis. The photochemical activity of humic substances and their fractions was determined. For the first time it is shown that low-molecular fractions of aquatic humic substances, when irradiated by polychromatic light, can intensely fluoresce and initiate the formation of singlet O₂, effectively destroying model compound furfural. The photochemical activity and intensity of fluorescence of high-molecular fractions is insignificant. The obtained data will help to extend the current knowledge in the field of natural water hydrochemistry about the ways of its natural self-purification from anthropogenic pollutants.     

针铁矿对湖泊草、藻来源可溶有机质的非均质吸附

为探究富营养化湖泊中自生源可溶有机质(DOM)在泥水界面的吸附行为,以马来眼子菜(Potamogeton malaianus)和铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)释放的DOM为代表,考察针铁矿对草、藻源DOM中不同组分的吸附特征.三维荧光平行因子分析表明类富里酸组分C1和类胡敏酸组分C4的含量很低,而类蛋白物质(类酪氨酸组分C2和类色氨酸组分C3)分别占草、藻源DOM荧光组成的70%和93%. 2种DOM均可被针铁矿吸附,吸附过程符合伪一级动力学.通过等温线拟合发现针铁矿吸附藻源DOM的非线性更强,饱和吸附量(23.77 mg/g)高于草源DOM(19.10 mg/g).特别地,类蛋白组分呈现非线性吸附,而类腐殖物质的吸附近似线性,且针铁矿对于DOM各荧光组分的吸附量顺序为:C3C2 C4 C1,此非均质吸附特征与DOM组分的初始含量、分子大小、芳香性及有效吸附位点有关.红外光谱证实氨基、羧基和羟基是吸附过程中的重要官能团.因此,草、藻源DOM显著改变了针铁矿表面的有机物质组成,影响湖泊沉积物的生物地球化学行为.     

抚仙湖有色可溶性有机物的来源组成与时空变化

基于2017年1-12月在抚仙湖开展的逐月观测,利用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术探讨该湖有色可溶性有机物（CDOM）的来源组成及时空变化特征.12个月CDOM吸收值a（254）的均值为3.47±0.57 m^-1,范围为1.82~5.22 m^-1,说明CDOM丰度较低.平行因子分析结果给出了2种类酪氨酸荧光组分（C1和C3）、1种类色氨酸荧光组分（C2）、1种类腐殖质荧光组分（C4）,12个月内源组分（C1+C3）对总荧光强度的平均贡献为65.81%±15.38%,外源组分（C2+C4）的平均贡献为34.19%±15.38%;荧光指数FI的均值为1.73±0.14,腐殖化指数HIX的均值为1.02±0.37,生源化指数BIX的均值为1.23±0.27,说明CDOM主要为微生物内源产生.时空变化方面,春（3-5月）、夏（6-8月）、秋（9-11月）和冬（1、2、12月）季的a（254）分别为3.20±0.47、3.76±0.64、3.67±0.50和3.23±0.38 m^-1,夏季和秋季均显著高于冬季和春季;CDOM丰度及内外源组分的空间分布具有季节异质性,可能与流域土地利用、河流输入、降雨、温度、光辐射等因素有关.