白塔堡河底泥DOM組成結構的熒光光譜與多元統計模型表征

劉東萍，高紅杰*，崔兵，于會彬，楊芳

1.中國環境科學研究院流域水污染綜合治理中心 2.山東師范大學地理與環境學院

溶解性有機質(dissolved organic matter，DOM)是由多種有機物質組成的異質碳氫混合物，主要包括含氧、氮和硫的氨基酸，多糖和腐殖質等[1-2]。DOM廣泛存在于自然環境和人工環境中，主要來源于物理、化學和微生物過程中動植物殘體、藻類排泄物及人類活動排放物等的降解，是紫外光降解、細菌繁殖與生物地球化學反應的有機組成部分[3-5]。DOM不僅影響營養物質的保持和釋放、生物可利用性、金屬離子和有機化學物質的遷移轉化，還被用于表征水質特征[6]。目前國內外應用熒光光譜技術對DOM的研究已趨于成熟，識別DOM特征的關鍵因子，揭示熒光組分的空間分異規律，能夠為治理水體污染提供更為具體的措施及建議。

三維熒光光譜(three-dimensional excitation emission matrix spectroscopy，EEMs)檢測是一種操作簡單、測樣快速、靈敏度高、成本低的技術，它能夠打破傳統二維熒光光譜的局限，將激發、發射光譜和熒光強度有效地在一張三維等高線光譜圖中全面表達，被廣泛用于定量分析底泥中的DOM組成結構，揭示DOM在河流、湖泊、地下水及海洋等環境中的動力學特征[7-9]。由于DOM自身的復雜性和多樣性，光譜掃描中易發生熒光重疊和干擾[10]。近年來，平行因子(parallel factor，PARAFAC)被廣泛應用于DOM熒光特性的分析，該方法不僅能識別與分離EEMs中重疊及受到干擾的熒光峰，還可以半定量表征DOM各熒光組分特征[11]。EEMs結合PARAFAC分析，可以表征底泥中DOM的組成結構特征，辨識其污染源；通過PARAFAC組分的分析，能夠較為準確地判斷底泥的污染特征。但目前利用分類回歸樹(classification and regression tree，CART)模型分析PARAFAC組分的研究較少。

筆者應用EEMs對沈陽市白塔堡河底泥DOM進行分析，結合PARAFAC、層次聚類分析(hierarchical clustering analysis，HCA)與CART模型，分析白塔堡河底泥DOM的組成結構特征，揭示底泥DOM熒光組分的空間分異規律，識別底泥DOM特征的關鍵因子，判別白塔堡河底泥的污染狀態，以期明確白塔堡河底泥DOM的污染源及污染狀態，為河流治理措施的制定提供參考與依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

白塔堡河位于渾河中游左側，是渾河的一級支流，其發源于沈陽市渾南區李相鎮老塘峪村，由東向西流經李相、深井子、南塔、渾南新區、白塔、渾河民族開發區6個鄉鎮(街區)，于曹仲屯匯入渾河[12-13]。流域面積為178 km2，河流總長為48.5 km，河道平均比降為1.65‰。白塔堡河處于溫帶半濕潤和半干旱的季風氣候區，冬季嚴寒、干燥，夏季炎熱、多雨。白塔堡河為季節性河流，自然流量很小[13]。近年來，由于生活污水、工業廢水、污水處理廠排水、養殖場排水和農業面源污染入河的影響，白塔堡河及其周邊環境受到污染，河流生態環境問題突出[14-15]。

1.2 樣品采集

根據人類活動對白塔堡河影響程度的不同，在白塔堡河設置12個采樣點(圖1)。其中，1#～5#采樣點位于白塔堡河上游的農村段，該河段河水的補給來源以農村生活污水、農田退水和養殖廢水為主，補給水量小；6#～9#采樣點位于中游的城鎮段，該河段河水的補給來源主要是生活污水與工業園集中排水，補給水量大，其中8#采樣點附近有工業園區；10#～12#采樣點位于下游的城市段，該河段河水的補給來源以生活污水和工業廢水為主，補給水量較大，采樣之前河道內已疏浚了部分底泥[12]。

圖1 白塔堡河采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Baitapu River

采集12個采樣點的表層底泥樣品，經自然風干后研磨過100目篩。稱取20 g底泥樣品與100 mL超純水(Milli-Q，電阻率為18.2 MΩ·cm)混合，置于25 ℃恒溫搖床上以200 rmin的速度避光連續提取24 h，靜置30 min，用離心機以9 000 rmin離心10 min，取上清液過0.45 μm醋酸纖維膜，得到底泥的DOM溶液。

1.3 EEMs檢測與PARAFAC分析

采用熒光分光光度計(F-7000型)完成EEMs的測定，并運用FL Solutions 2.1軟件進行數據處理。以Milli-Q超純水作為空白，將DOM溶液放入1 cm石英比色皿中。激發光源為150 W氙弧燈，光電倍增電壓為700 V，激發波長(Ex)掃描范圍為200～450 nm，發射波長(Em)掃描范圍為260～550 nm，激發和發射狹縫寬度為5 nm，響應時間為0.5 s，掃描速度為2 400 nmmin，掃描間隔為10 nm[9]。分光光度計根據儀器的拉曼信號進行自動校準，并以奎寧硫酸鹽單位標準化[16]。

利用MATLAB 2017b軟件中的DOMFlour工具箱對光譜數據進行拉曼和瑞麗散射的去除，再對數據進行PARAFAC建模，模型通過半劈開驗證和殘差驗證提取最佳熒光組分數，所得最大熒光強度(Fmax)代表各組分的相對濃度或強度[7]。

1.4 數理統計分析

HCA依據樣本之間的相似性進行分類，是一種多變量統計技術。對熒光組分聚類，探究不同熒光組分間的聯系；對采樣點聚類，揭示白塔堡河表層底泥的空間相似性與差異性。CART模型是一種基于統計理論的非參數方法，常通過識別特征變量來揭示定性特征。CART可以辨識最佳分組變量，并利用該變量對數據進行分組，輸出分類錯誤最小的子樹作為最優分類模型[9]。在SPSS 22軟件中采用中位數算法對熒光組分進行聚類，采用質心算法對采樣點進行聚類，運用CRT算法生成CART模型。

2 結果與討論

2.1 EEMs特征

在EEMs圖譜中出現了8個不同強度的熒光峰(圖2)：B峰為類酪氨酸熒光峰(ExEm=225～235 nm290～310 nm)，與DOM中的芳環氨基酸結構有關[17-18]；T1峰和T2峰為類色氨酸熒光峰(ExEm=225～235、265～285 nm330～370 nm)，與微生物降解產生的芳香性蛋白類結構有關[9]；M峰為類腐殖質熒光峰(ExEm=290～310 nm370～410 nm)，與微生物代謝產物有關，反映底泥中微生物活性強度[18]；A峰和C峰為類富里酸熒光峰(ExEm=240～260、335～365 nm380～420 nm)，反映陸源輸入的富里酸和腐殖酸[19-20]；H峰為紫外區胡敏酸熒光峰(ExEm=260～300 nm475～510 nm)，F峰為可見區胡敏酸熒光峰(ExEm=350～380 nm475～510 nm)，一般用于表征陸源性有機物質[21]。從不同河段來看，農村段熒光強度較大的是B峰和T峰；城鎮段與城市段熒光強度較大的是A峰，此外，城鎮段B峰和T峰的熒光強度明顯高于城市段。

熒光指數(FI)常用于指示DOM的來源，其定義是Ex為370 nm時，Em在450和500 nm處熒光強度的比值[22]。當FI<1.4時，表示DOM主要來源于經徑流進入水體的陸源有機質；FI>1.9時，表示DOM主要來源于微生物分解產生的內源性代謝物[23]。各采樣點FI為1.55～1.91，均值為1.65±0.09〔圖(3a)〕，表明底泥DOM受陸源和內源物質共同影響。其中FI的最大值出現在農村段4#采樣點，為1.91，說明其底泥DOM以微生物內源性代謝產物為主；FI的最小值出現在城市段10#采樣點，為1.55，表明其底泥DOM陸源的占比較大。

自生源指數(BIX)是指Ex為310 nm時，Em在380和430 nm處熒光強度的比值，常用于表示自生源特征和生物可利用性，反映出水體自生源的相對貢獻[24]。當BIX<0.8時，表示DOM自生源貢獻較少；BIX>0.8時，表明自生源貢獻較多[24]。各采樣點BIX為0.71～0.97，均值為0.83±0.08〔圖3(b)〕，表明底泥DOM受陸源和內源物質的雙重影響。其中，農村段BIX均值為0.89±0.07，城鎮段為0.78±0.05，城市段為0.79±0.08，表明農村段底泥DOM自生源貢獻較多，城鎮段和城市段自生源貢獻較少。

圖2 不同采樣點底泥DOM的三維熒光光譜Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM in the sediments at different sampling sites

腐殖化指數(HIX)是指Ex為255 nm時，Em在435～480 nm與300～345 nm處熒光強度的平均值之比，常用于表示DOM的腐殖化程度，HIX的數值越大表示腐殖化程度越高，DOM越穩定[25]。各采樣點HIX為0.93～4.15，均值為2.48±1.17，表明底泥DOM的腐殖化程度較低。另外，農村段HIX均值為1.22±0.36，城鎮段為3.30±0.34，城市段為3.48±0.58，表明城鎮段與城市段底泥DOM的腐殖化程度明顯高于農村段，這與FI、BIX指示的農村段以內源為主，而城鎮段和城市段受陸源與內源物質的綜合影響的結果相一致。

圖3 各采樣點熒光指數分布Fig.3 Distribution of fluorescence index of each sampling site

圖4 PARAFAC技術提取出各采樣點DOM的6個熒光組分Fig.4 Six fluorescence components extracted by PARAFAC of DOM at each sampling site

2.2 PARAFAC分析

應用PARAFAC方法提取了6個熒光組分(C1～C6)，結果如圖4所示。由圖4可知，C1(260、355 nm430 nm)包含2個熒光峰，分別為紫外區類富里酸和可見區類富里酸，對應于圖2中的A峰和C峰，二者都可能與DOM中的羰基(—CO—)、羥基(—OH)有關，常用于指示陸源輸入[26-27]。C2(240、320 nm405 nm)指示微生物代謝產物，可用于表征底泥中微生物的活動強度[12]。C3(370、280 nm490 nm)包含2個熒光峰，分別為紫外區類胡敏酸和可見區類胡敏酸，對應于圖2中的H峰和F峰，常用于指示陸源輸入[28]。C4(270 nm375 nm)指示類色氨酸熒光，對應于圖2中的T峰，與羧基(—COOH)官能團有關，是一種由微生物代謝產生的內源類蛋白物質[29]。C5(215 nm305 nm)為類酪氨酸熒光，對應于圖2中的B峰，主要為微生物和浮游植物產生的內源類蛋白物質，但也受生活污水和農田退水的影響[30]。C6(230 nm425 nm)指示酚類物質，由煤氣、焦化、石油、化工、油漆、制劑制藥等行業大量排放含酚廢水產生，與白塔堡河沿程城鎮段和城市段工業廢水的排放有關[31-33]。

圖5 各熒光組分最大熒光強度與占比Fig.5 Maximum fluorescence intensity and proportion of each fluorescence component

白塔堡河底泥DOM總Fmax及各組分Fmax空間分布差異較大〔圖5(a)〕。城鎮段總Fmax的平均值最高，為(196.13±65.77)a.u.，表明該河段底泥DOM的熒光物質濃度最高；其次為城市段，平均值為(180.95±67.35)a.u.；總Fmax最低的為農村段，平均值為(89.12±56.40)a.u.，表明該河段底泥DOM中熒光物質濃度最低，變化幅度也最小。白塔堡河底泥DOM熒光物質濃度的分布為城鎮段>城市段>農村段。

從不同熒光組分來看，城鎮段C1的Fmax平均值最大，為(272.53±61.55)a.u.，城市段次之，農村段最低，C2～C4和C6與C1的分布趨勢相同。C5的Fmax最大平均值位于農村段，為(183.58±80.16)a.u.，與EEMs中B峰強度為農村段>城鎮段>城市段的結果一致。總體而言，城鎮段河流底泥的熒光物質濃度略高于城市段，農村段河流底泥的熒光物質濃度最低。這可能是由于城鎮段和城市段接納了大量的生活污水和工業廢水，而城市段底泥部分被清淤，使該河段DOM熒光物質濃度低于城鎮段；農村段位于白塔堡河上游，農村生活污水、農田退水及養殖廢水的匯入量均較小。

不同采樣點各熒光組分的相對濃度用Fmax在該采樣點總Fmax中的占比表示〔圖5(b)〕。C1的平均相對濃度由農村段到城市段逐漸增大，依次為農村段(14.75%)、城鎮段(23.09%)、城市段(24.42%)。C2的平均相對濃度在農村段較小，為12.54%，在其他河段相對濃度較大且空間變化較小，為15.61%～18.05%。C3的平均相對濃度在農村段為8.09%，城鎮段為11.33%，城市段為11.42%。C4的平均相對濃度由農村段到城市段呈先減小后略微增加趨勢，農村段為15.05%、城鎮段為12.83%、城市段為13.69%。C5的平均相對濃度在農村段最高，為32.99%；其次為城鎮段(15.22%)；城市段最低(12.08%)。C6的平均相對濃度呈現出和C1相同的變化趨勢，由農村段到城市段逐漸增大，依次為農村段(16.59%)、城鎮段(21.12%)、城市段(21.45%)。

農村段DOM中相對濃度較大的熒光組分是C5(32.99%)，表明農村段河流底泥DOM的熒光物質主要受微生物與浮游植物產生的內源和生活污水及農田退水排入的影響。城鎮段和城市段DOM中相對濃度較大的熒光組分均為C1和C6，表明城鎮段和城市段河流底泥DOM的熒光物質主要受生活污水、工業廢水、養殖場排水和農業面源等陸源輸入的影響。此外，城鎮段和城市段DOM中C4和C5的相對濃度存在明顯差異，城鎮段表現為C4低于C5，城市段表現為C4高于C5，這表明城鎮段河流底泥DOM的熒光物質受內源類蛋白物質的影響低于微生物與浮游植物產生的內源和生活污水排入的影響，而城鎮段與之相反。

2.3 層次聚類分析

利用HCA將熒光組分分成3個具有統計學意義的組〔圖6(a)〕：第Ⅰ組包括C1和C6，二者在不同河段的占比表現為相同的變化趨勢，且可用于指示陸源輸入。第Ⅱ組包括C2～C4，相較而言這3種熒光組分的占比在農村段、城鎮段和城市段的變化幅度不大，不具備對采樣點進行明確分類的特征。第Ⅲ組為C5，其主要集中于農村段，屬于內源類蛋白物質，表征了河流底泥的內源性。C5與其他組分相對距離最大，是根據相似特征對采樣點進行分類的關鍵因子[37]。

圖6 熒光組分與采樣點的HCA分析Fig.6 Hierarchical clustering analysis of the fluorescent components and the sampling sites

根據HCA分析結果，將采樣點分成3組〔圖6(b)〕：A組為農村段(1#～5#采樣點)，該組DOM熒光組分的總Fmax濃度最低，底泥污染程度較輕；B組為城鎮段(6#～9#采樣點)，該組DOM熒光組分的總Fmax最高，底泥污染程度較嚴重；將城市段(10#～12#采樣點)歸類為C組，除C5組分外，該組各熒光組分的Fmax均遠高于A組農村段且略微低于B組城鎮段，表明城市段河流底泥的污染程度低于城鎮段，但仍處于重污染狀態。

2.4 CART模型

依據HCA分類結果將底泥DOM樣品分為A、B和C 3組，把6個熒光組分濃度設為自變量，分類結果設為因變量，生成CART模型(圖7)。CART模型輸出結果顯示，組分C5與C1將3組對應的白塔堡河底泥污染狀態各異的河段區分開。A組農村段C5濃度及其變動幅度遠大于城鎮段和城市段，類酪氨酸是識別農村段底泥的關鍵因子；B組城鎮段C1濃度及其變動幅度大于城市段，類富里酸是區分城鎮段與城市段的關鍵因子(圖5)。CART模型揭示了C5與C1可用于表征白塔堡河底泥DOM空間差異，驗證了類酪氨酸是白塔堡河底泥DOM特征的關鍵因子，并識別出類富里酸是底泥DOM的另一關鍵因子。

圖7 基于底泥DOM組分對采樣點分類的CART模型Fig.7 CART model for classification of sampling sites based on DOM components of sediment

3 結論

(1)由三維熒光光譜結合平行因子、層次聚類分析與分類回歸樹模型提取白塔堡河底泥DOM的熒光組分，揭示白塔堡河底泥DOM中包括類富里酸、微生物代謝產物、類胡敏酸、類色氨酸、類酪氨酸和酚類物質6種熒光組分。

(2)白塔堡河農村段底泥DOM以內源貢獻為主，城鎮段和城市段受陸源和內源物質的雙重影響；城鎮段底泥污染程度最高，城市段次之，農村段最低。

(3)DOM熒光組分在農村段、城鎮段和城市段有明顯分異特征，類酪氨酸與類富里酸是DOM特征的關鍵因子，可用于判別白塔堡河底泥的污染狀態。