白水江表層沉積物溶解性有機質熒光特性研究*

黃俊霖 蘇 婧 孫源媛 鄭明霞 林 兵

(1.中國環境科學研究院，國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012；2.深圳中環博宏環境技術有限公司，廣東 深圳 518000)

溶解性有機質(DOM)廣泛存在于地表水、土壤、沉積物等自然環境中，是影響多種有機或無機污染物遷移轉化與氧化還原狀態的重要生化反應電子供體，對生態系統的地球生物化學特征演化具有關鍵作用[1]。

表層沉積物是上覆水與間隙水的過渡帶與相互作用帶，上覆水有機物可在潛流交換作用下積累于表層沉積物中[2]。同時，沉積物中微生物的新陳代謝活動又可產生類蛋白與類腐殖質[3]，形成復雜多樣的營養源體系。因此，DOM熒光物質結構與組分記錄著沉積環境的有機質在自生源與人類活動交互作用下的遷移轉化規律[4]。三維熒光光譜(EEM)技術結合熒光區域積分法(FRI)可定性、定量表征不同結構熒光有機物的相對含量，而熒光指數(FI)法則能反映不同熒光組分的來源與轉化信息。張海威等[5]采用上述方法探討了新疆河流DOM的EEM特性，對研究環境特征與有機物空間分布的關系具有重要指示意義。

白水江流域位于云南省昭通市鹽津縣，流域兩側的廟壩鎮和柿子鎮存在農業面源、畜禽養殖、生活污水及工業廢水等潛在污染風險源，而DOM是城鄉發展中經生產、生活排放至自然環境中普遍存在的污染物[6]，對兩鎮之間的白水江環境質量造成潛在威脅。由于“十二五”期間鹽津縣經濟快速發展導致白水江流域污染負荷日益嚴峻，目前缺乏有機物污染特征的相關研究。本研究應用EEM技術、FRI和FI法對白水江表層沉積物DOM進行測試分析，驗證人類活動對江區表層沉積物DOM熒光物質的貢獻作用，從水體基本參數、微生物活動、污水排放量等自然、人為因素探討其對DOM降解程度的影響，以期為下一步白水江流域綜合環境整治工作提供基礎數據支撐。

1 研究方法

1.1 研究區概況與樣品采集

白水江俗名牛街河，為橫江右岸一級支流，金沙江下段水系，發源于貴州省赫章縣毛姑村恒底花泥山，流經鎮雄縣五德鎮、羅坎鎮，彝良縣洛旺鄉、牛街鎮等鄉鎮，在柿子鎮高坎村花果河進入鹽津縣，經廟壩、柿子鎮兩河口匯入橫江。

白水江流域屬低緯度、高海拔地區，處于四川盆地向云貴高原過渡地帶，流域地勢東南高、西北低，河流流向與山脈延伸一致，從東南流向西北，主要支流有烏撒溪、溫沼河。白水江為山區河流，上游河床坡降陡、落差大，水能資源豐富。鹽津縣水力資源理論蘊藏量4.7×105kW。河流全長153 km，其中鹽津縣境內長30 km，常年流量769.0 m3/s，枯水期流量12.5 m3/s。在鹽津縣境內接納烏撒溪、流三江、紅石溪、熊溪溝等7條小河至柿子鎮兩河口，注入關河。

2018年3月，在云南省昭通市鹽津縣內，沿著白水江上游至下游，采用活塞式柱狀沉積物采樣器采集江岸淺灘區垂直深度0～20 cm的沉積物。樣品數量共16組，保存于聚乙烯塑料袋內，低溫運輸至實驗室。利用便攜式多參數水質儀(DR900，美國)對沉積物采樣斷面的水溫、DO、pH進行現場測定。其中，采樣點1～2位于上游，自然因素占主導作用；采樣點3～8、9～16分別位于中、下游，受到廟壩鎮和柿子鎮生活、農業面源和部分工業污水污染，所采集樣品用以研究人類活動對江區表層沉積物有機質空間分布特征的影響。

1.2 樣品預處理與分析測試

沉積物有機質含量根據《土壤有機質測定法》(GB 9834—88)中重鉻酸鉀-硫酸滴定法測定。DOM采用水土振蕩法[7]提取：樣品經冷凍干燥機(FD-1A-50)干燥48 h后，通過除雜、研磨、過200目篩，每克沉積物加入30 mL 1 mol/L的KCl溶液，在25 ℃、220 r/min下振蕩24 h，靜置后提取上清液于50 mL離心管中，在3 000 r/min下離心15 min，提取上清液經0.45 μm濾膜過濾。之后利用三維熒光分光光度計(F-7000，日本)完成EEM測試，實驗空白為Milli-Q超純水。掃描條件：激發波長200～450 nm，發射波長280～550 nm，掃描間距5 nm，掃描速度2 400 nm/min，激光光源為150 W氙弧燈，光電倍增管(PMT)電壓700 V，信噪比>110，響應時間為自動。

1.3 FRI

EEM根據特定的激發/發射波長與熒光強度將相似物質的熒光峰劃分為5個代表性區域(見表1[8-9])，用以區分和表征DOM中具有特定結構的熒光組分。

FRI通過計算區域標準體積來反映具有特定結構熒光物質的相對含量(Φi，n)[10]，計算如下：

(1)

(2)

式中：I(λEx·λEm)為激發與發射波長所對應的相對熒光強度；λEx為激發波長，nm；λEm為發射波長，nm；Pi，n為具有特定結構的熒光物質占總體熒光物質相對含量的比例，%；ΦT，n為總體熒光物質相對含量。

表1 EEM分區與波長范圍

1.4 FI法

FI定義為370 nm激發波長下發射波長在470、520 nm處的熒光強度比值，反映了芳香與非芳香氨基酸對DOM熒光強度的相對貢獻率，作為衡量DOM來源及降解程度的指標。FI>1.9代表DOM源于微生物活動，具有顯著的內源產生特征；FI<1.4則體現源于陸生植物和土壤有機質等外源輸入為主的特征[11]。

自生源指數(BIX)定義為310 nm激發波長下發射波長在380、430 nm處的熒光強度比值，是反映DOM類腐殖質自生貢獻比例的指標，值越高表明DOM降解程度增加，內源碳產物越容易生成[12]。

新鮮度指數(β/α)定義為310 nm激發波長下發射波長為380 nm處熒光強度與420～435 nm區間最大熒光強度的比值，用于表征新產生的DOM在整體DOM中所占比例，其中β為新近產生的DOM、α為降解程度較高的DOM[13]。

2 結果與討論

2.1 DOM的EEM特征

白水江表層沉積物DOM的EEM中，各監測斷面均出現明顯的C4熒光峰(T1)，表明淺灘區表層沉積物的微生物活動旺盛，產生諸如蛋白、輔酶、小分子有機酸及色素等具有特定結構的類蛋白有機物[14]。以各監測斷面最大熒光強度的DOM樣品(采樣點2、5、9)為例，上、中、下游T1的熒光中心位置分別位于λEx/λEm=285 nm/320 nm、280 nm/335 nm、280 nm/335 nm處(見圖1)。

從空間差異看，自上游至下游，表層沉積物DOM熒光強度逐漸增強，這可能與中、下游柿子鎮、廟壩鎮人類活動排放的外源DOM有關。相比上游，中、下游出現C2熒光峰(T2)和C1熒光峰(B)，表明存在含多環芳烴及其芳香性蛋白衍生物的生活污水與工業廢水等污染源輸入，從而促進表層沉積物中微生物對外源DOM的分解作用[15]。下游采樣點9還出現顯著的C5熒光峰(C)，熒光中心位于λEx/λEm=355 nm/430 nm處。C5因具有較大的分子量和芳香性，表現為與環氧七氯具有較強的親和力和結合能力，因此進入下游的農藥殘留組分可能易在水體-沉積物體系中富集[16]。

2.2 DOM熒光組分含量

由圖2可知，白水江上游至下游，總熒光組分、各熒光組分含量均呈現逐漸升高的趨勢，與熒光強度特征分析結果一致。由于研究區土壤類型主要為黃壤與紫色土交錯分布，表層有機質含量相對較高，成為DOM熒光組分重要的天然來源。上游至下游有機質分別為10.43～10.82、11.87～18.23、12.39～20.95 mg/g，在空間上也呈現遞增的分布特征。Pearson相關性分析顯示，各熒光組分與有機質含量呈顯著正相關(R2為0.726 1～0.913 0，P<0.01)，表明沉積物DOM熒光物質主要存在于有機質中。

圖1 白水江表層沉積物DOM的EEMFig.1 EEM of DOM of surface layer sediments in Baishui River

圖2 DOM熒光組分的空間差異Fig.2 Spatial differences of fluorescent components in DOM

由于中、下游人口分布較上游密集，采樣點周邊均為依水而建的村落與城鎮，接納人類活動排放的生活污水與工業廢水隨著潛流交換和自然沉降進入江區表層沉積物。因此，人類活動可能是造成白水江表層沉積物DOM熒光組分存在空間分異的主導因素。從熒光有機物種類的空間變化趨勢來看，相比于類腐殖質(C3、C5)，進入中、下游的類蛋白有機物(C1、C2、C4)平均含量增幅較大，尤其是C1、C2。相比上游，中、下游C1分別升高0.8、1.3倍，C2則分別升高1.5、2.3倍。

自然環境DOM的C1、C2含量增加可能與人類活動排放的污水有關。由圖3可知，中游總污水排放量為2.77×104t，其中生活污水占比高達81%。這說明，進入中游的食物殘渣、洗滌水與排泄物等生活污水組分可通過潛流交換進入表層沉積物，為微生物新陳代謝活動帶來充足的碳源。相比中游，下游表層沉積物DOM的C1、C2分別升高25%、33%。雖然下游的生活污水與垃圾滲濾液排放量較中游分別減少86%、60%，但其總污水排放量卻高達1.92×105t，是上游的6.9倍，且主要污水類型為工業廢水，占比為96%，表明下游表層沉積物DOM的C1與C2可能主要來源于工業污染。

如圖4所示，白水江各斷面表層沉積物DOM熒光組分以類蛋白有機物為主，其中C4占比為64.56%～73.06%；其次為類腐殖質，占比約12.75%～15.95%，其中C5占比為9.91%～10.77%。受外源輸入和微生物活動的交互影響，自上游至下游，C4占比逐漸減少，其余類蛋白有機物和類腐殖質占比均升高。來源于生活污水與工業源的C1、C2占比上升，雖有利于異養細菌生長繁殖，并產生一定量的代謝產物，但在微生物作用下，C1和C2降解產物生成的類腐殖質前驅體可經縮合或聚合反應形成C5。此外，中、下游污水排放量明顯增加，而污水普遍含有腐殖酸[17]，致使其表層沉積物類腐殖質占比較上游高。

圖3 2016年白水江流域環境統計數據Fig.3 Environmental statistics of Baishui River Basin in 2016

圖4 DOM熒光組分的Pi，nFig.4 Pi，n of fluorescence components in DOM

2.3 熒光參數及環境指示意義

熒光參數對研究DOM熒光組分的來源與轉化具有重要的指示意義，尤其是類腐殖質的來源特性。由圖5(a)可知，上游表層沉積物FI為1.57～2.03，說明DOM類腐殖質主要可經微生物代謝活動產生；BIX為0.57～0.59，β/α均為0.57，表明上游DOM降解程度及自生貢獻的類腐殖質含量較低。中、下游表層沉積物FI分別為1.97～2.44、1.83～2.62，表明DOM類腐殖質大部分來源于微生物活動；相比上游，中、下游的β/α平均值分別升至0.61、0.65，BIX平均值分別提高至0.69、0.70，說明中、下游DOM降解程度較大，并具有更多自生貢獻的類腐殖質。

圖5 熒光參數、水體基本參數的空間變化特征Fig.5 Spatial variation characteristics of fluorescence parameters and basic parameters of water

水溫、pH與DO等基本參數可在某種程度上影響DOM降解程度。由圖5(b)可知，上、中、下游水溫分別為17.3～22.9、15.5～18.5、14.0～16.7 ℃，DO分別為6.73～9.45、4.93～7.35、4.14～8.48 mg/L，即水溫與DO在空間上總體表現為上游>中游>下游。雖然較高的水溫和充足的DO能使微生物保持較高的酶活性，但上游DOM降解程度顯然低于中、下游，推測可能與上游表層沉積物中微生物數量較少有關。中、下游水溫與DO處于較低水平，而DOM降解程度卻較高，說明DO與水溫對研究區表層沉積物DOM降解程度無顯著影響。此外，由于上游至下游水體pH較穩定，因此pH也不是造成白水江沉積物DOM降解程度及自生貢獻的類腐殖質含量產生空間分異的主要因素。

中、下游由人類頻繁活動排放的污水量顯著增加，導致表層沉積物的熒光強度逐漸增強。外加碳源輸入一方面為微生物提供能量，間接促進了其生長繁殖與代謝活動；另一方面，微生物代謝可將污水的C1和C2通過降解生成類腐殖質前驅體，并進一步經縮合或聚合反應形成C5，從而導致中、下游自生貢獻的類腐殖質含量普遍升高。因此，白水江表層沉積物DOM降解程度與自生貢獻的類腐殖質含量主要受到人類活動和微生物代謝的共同影響，水溫、DO、pH等水體基本參數幾乎不干擾上述生化過程。

3 結 論

(1) 白水江表層沉積物DOM熒光組分以類蛋白有機物為主，其中C4占比為64.56%～73.06%；其次為類腐殖質，占比約12.75%～15.95%，其中C5占比為9.91%～10.77%。

(2) 相比上游，中、下游C1分別升高0.8、1.3倍，C2則分別升高1.5、2.3倍。相比中游，下游表層沉積物DOM的C1、C2分別升高25%、33%。

(3) 中、下游表層沉積物FI分別為1.97～2.44、1.83～2.62，表明DOM類腐殖質大部分來源于微生物活動；相比上游，中、下游的β/α平均值分別升至0.61、0.65，BIX平均值分別提高至0.69、0.70，說明中、下游DOM降解程度較大，并具有更多自生貢獻的類腐殖質。