李瑩杰，吳易雯，張列宇*，方繼敏，呂晶晶，葉宇兵，李曹樂

(1.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430000； 2.中國環(huán)境科學研究院 地下水與環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)新基地，北京 100012； 3.中原工學院 能源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

溶解性有機物(Dissolved Organic Matter，DOM)是指由一系列結(jié)構(gòu)、大小不同的分子組成且能通過0.45 μm微孔濾膜的有機物的總稱[1]，它是水環(huán)境中有機物的主要組成部分，并在全球碳循環(huán)中起重要作用[2]，對水體的碳、生源要素等的生物地球化學循環(huán)具有重要意義.由于其成分復(fù)雜，能在分子水平鑒別的DOM成分不到11%[3].在湖泊河流等天然水環(huán)境物質(zhì)的研究中，三維熒光光譜(Excitation-emission matrix，EEM) 技術(shù)已成為水體DOM熒光物質(zhì)特征分析的有效手段[4].但是在使用三維熒光技術(shù)分析的過程中，由于DOM中熒光組分光譜之間存在相互干擾和重疊現(xiàn)象，使得DOM組分熒光峰的準確識別和判斷出現(xiàn)偏差，從而影響研究的準確性.而平行因子法 (parallel factor method，PARAFAC)可以對DOM熒光物質(zhì)組分進行有效識別，在三維熒光光譜數(shù)據(jù)矩陣的解析中發(fā)揮了重要作用.本文運用三維熒光光譜技術(shù)并結(jié)合PARAFAC法，對湖北省內(nèi)湖泊沉積物間隙水中DOM的熒光光譜數(shù)據(jù)進行處理分析.

1 實驗部分

1.1 樣品采集及處理

2014年8—10月，分別在湖北省內(nèi)31個湖泊的91個沉積物采樣點進行采樣，采樣湖泊分布如圖1所示.

圖1 采樣湖泊分布圖Fig. 1 Sampling distribution of lakes

注：1為保安湖，2為豹澥湖，3為策湖，4為赤東湖，5為崇湖，6為大冶湖，7為東西汊湖，8為斧頭湖，9為漢陽東湖，10為洪湖，11為后湖，12為花馬湖，13為梁子湖，14為龍感湖，15為魯湖，16為牛浪湖，17為牛山湖，18為三湖，19為三山湖，20為上津湖，21為上涉湖，22太白湖，23為湯遜湖，24為童家湖，25為武湖，26為武山湖，27為西涼湖，28為野潴湖，29為長湖，30為漲渡湖，31為朱婆湖

野外采樣采用GPS進行站點定位，使用彼得遜采泥器采集表層沉積物樣品.采集完后，將樣品裝入自封袋并迅速帶回實驗室，用離心機對樣品進行分離，取上層水，用0.45 μm玻璃纖維濾膜進行過濾，儲存在4 ℃的冰箱內(nèi)備用.

1.2 實驗儀器及數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維熒光光譜采用日立(Hitachi)F-7000熒光光譜分析儀進行測定.激發(fā)光源為氙燈.掃描波長范圍為：激發(fā)波長200～450 nm，步長5 nm；發(fā)射波長為280～550nm，步長5 nm.狹縫寬度為5 nm，響應(yīng)時間設(shè)為自動，掃描速度設(shè)為2400 nm·min-1，掃描光譜進行儀器自動校正.水樣裝入1 cm石英熒光樣品池中測量.

光譜數(shù)據(jù)用儀器自帶軟件Hitachi FL Solutions讀取并導出，然后用軟件MATLAB2009a，采用Delaunay三角形內(nèi)插值法，對間隙水的EEM進行去散射和平滑處理[5]，隨后用MATLAB.2009a軟件處理并結(jié)合平行因子法對三維熒光光譜進行分析[6].采用SPSS19.0和origin7.5進行圖形的處理和分析.

1.3 平行因子法

平行因子法是基于三線分解理論采用交替最小二乘算法實現(xiàn)的一種數(shù)學模型[7]，可用PARAFAC法實現(xiàn)樣品中DOM熒光物質(zhì)的“數(shù)學分離”.測量得到的熒光光譜數(shù)據(jù)可組成一個I×J×K的矩陣，其中I為樣品數(shù)目，J，K分別為樣品的發(fā)射波長和激發(fā)波長的數(shù)目.用平行因子法將其分解為得分矩陣A和負載矩陣B和C，分解模型表示為：

j=1，2，…，J；k=1，2，…，K.

(1)

其中：xijk為第i個樣品、發(fā)射波長為j、激發(fā)波長為k處的熒光強度值；ain，bjn和ckn分別為負載矩陣A，B，C中的元素；eijk為殘差矩陣E(I×J×K)的組成元素；N為負載矩陣列數(shù)，代表因子數(shù).

2 結(jié)果及討論

2.1 湖泊沉積物間隙水三維熒光光譜特征

圖2為4個經(jīng)過Delaunay三角形內(nèi)插值法修正過的水樣熒光光譜圖，激發(fā)波長/發(fā)射波長范圍為200～450 nm/280～550 nm.從圖中可以明顯地看出，湖泊沉積物間隙水熒光光譜形狀及峰位置基本相似，有1個較強的尖峰，沿高激發(fā)區(qū)和低發(fā)射區(qū)方向分別有一個較弱的肩峰，較強的尖峰激發(fā)/發(fā)射波段位于225～270 nm/385～450 nm范圍，沿高激發(fā)區(qū)和低發(fā)射區(qū)方向的肩峰激發(fā)/發(fā)射波段分別位于300～345 nm/380～430 nm和220～240 nm/325～370 nm范圍.據(jù)文獻報道[8-9]，較強的尖峰和沿高激發(fā)區(qū)方向的肩峰為類腐殖質(zhì)熒光峰，沿低發(fā)射區(qū)方向的肩峰為類蛋白熒光峰.綜合所有樣品的三維熒光譜圖，可以發(fā)現(xiàn)熒光峰的位置存在偏移和重疊現(xiàn)象，圖2-d中較強的類腐殖質(zhì)熒光峰位于235 nm/415 nm，而圖2-c中該峰位于245 nm/420 nm，相比之下圖2-c較圖2-d中該峰的位置出現(xiàn)了“紅移”.而在50%以上的采樣點光譜圖中，類色氨酸熒光峰和類酪氨酸熒光峰并沒有明顯的區(qū)分開，重疊現(xiàn)象明顯.如此，使得對DOM組分熒光峰的準確識別和判斷出現(xiàn)偏差，從而影響研究的準確性.

圖2 間隙水中DOM三維熒光光譜圖Fig. 2 3-D fluorescence spectra of DOM in the pore water

2.2 平行因子分析結(jié)果

采用平行因子法[10]將樣品的DOM熒光光譜分為5個成分，各成分的熒光光譜圖和激發(fā)/發(fā)射剖面輪廓圖如圖3所示.成分1(Component 1)的熒光光譜中觀察到的兩個熒光峰的激發(fā)/發(fā)射波長分別為250 nm/400 nm和319 nm/400 nm，分別對應(yīng)熒光峰A和C，它們是類富里酸物質(zhì)[11].成分2(Component 2)中熒光峰的激發(fā)/發(fā)射波長分別位于265 nm/458 nm和360 nm/458 nm處，分別對應(yīng)熒光峰E和D，它們源自于類胡敏酸物質(zhì)[12].成分3(Component 3)中熒光峰的激發(fā)/發(fā)射波長分別位于235 nm/340 nm和280 nm/340 nm處，分別對應(yīng)熒光峰T2和T1，它們是類蛋白物質(zhì)，T2為低激發(fā)區(qū)類色氨酸，T1為高激發(fā)區(qū)類色氨酸[13].成分4(Component 4)中熒光峰的激發(fā)/發(fā)射波長位于230 nm/400nm處，對應(yīng)的是熒光峰C’，為類富里酸.成分5(Component 5)中熒光峰的激發(fā)/發(fā)射波長分別位于220 nm/322 nm和270 nm/322 nm處，分別對應(yīng)熒光峰B2和B1，其中B2為低激發(fā)區(qū)類酪氨酸，B1為高激發(fā)區(qū)類酪氨酸，明顯看出熒光峰B2的熒光強度大于熒光峰B1.從成分5的熒光光譜圖及剖面輪廓圖中都可以觀察到，熒光峰B2并不尖銳，其熒光峰向高發(fā)射波長方向有明顯的延伸.最新研究報道[14]，溶解性有機物中的類蛋白物質(zhì)和類胡敏酸的熒光峰之間存在重疊行為，這與這兩個成分間的相互作用有關(guān)，而在這一相互作用中類酪氨酸對類胡敏酸的影響程度大于類色氨酸.因此，成分5中熒光峰B2(低激發(fā)區(qū)類酪氨酸)的延伸以及熒光峰C’(類富里酸)的異常出現(xiàn)便可以得到解釋，有可能是因為熒光峰B2和熒光峰C’之間產(chǎn)生了相互作用，而本該歸類于成分1中熒光峰C(類富里酸)的熒光峰C’，因受到類酪氨酸的影響在平行因子分析中以一個單獨的成分被分離出來.畢竟類胡敏酸和類富里酸具有同源性.而從成分間相對含量的相關(guān)系數(shù)可以看出，成分4和成分5存在顯著的相關(guān)性(r=0.442，p=0.013<0.05)，間接說明類蛋白物質(zhì)和類富里酸之間存在相互影響作用.

圖3 平行因子模型得到的五成分熒光光譜圖和激發(fā)/發(fā)射剖面輪廓圖Fig. 3 Fluorescence spectra and excitation/emission profiles of five componentsfrom parallel factor method

2.3 熒光組分的相對含量

從平行因子的結(jié)果中，可以得到5種成分的相對含量，圖4所示的即是這5種熒光成分的相對含量百分比.

圖4 熒光成分的相對含量百分比Fig. 4 The relative content percentage of fluorescent composition

在所研究的31個湖泊中，有21個湖泊沉積物間隙水含有5中熒光成分，觀察這些湖泊的熒光光譜圖，它們都有一個共同的特征，由于類蛋白物質(zhì)和類富里酸的相互作用，出現(xiàn)了一個沿低發(fā)射區(qū)方向延伸的類蛋白熒光肩峰，這一類的光譜圖類似于圖2-c和圖2-d.在其余的10個湖泊中，沉積物間隙水中至少有C1、C2和C3，只含有C4和C5其中的一個或兩個的都沒有，而這些湖泊的熒光光譜中，沿低發(fā)射區(qū)方向延伸的類蛋白熒光肩峰不明顯或不存在，這一類的光譜圖類似于圖2 2-b和圖2-a.以上現(xiàn)象也驗證了類酪氨酸和類富里酸之間確實存在相互作用，使得平行因子分析結(jié)果中類蛋白成分的熒光峰有延伸.

這5種成分中，C1、C2和C4屬于腐殖質(zhì)， C3和C5屬于類蛋白.腐殖質(zhì)相對含量在50.505%～83.477%之間，類蛋白相對含量在16.523%～49.495%之間，腐殖質(zhì)的含量遠遠高于類蛋白，說明腐殖質(zhì)是所研究淺水湖泊沉積物間隙水DOM中的主要成分.在腐殖質(zhì)中，類富里酸的含量普遍高于類胡敏酸，而且類富里酸的含量又大多高于類蛋白，說明類富里酸在所研究湖泊間隙水中是比較活躍的有機酸.這與易文利等人[15]的研究一致.類富里酸物質(zhì)主要來源于外源輸入[16]，本實驗中31個湖泊沉積物中類富里酸成分含量普遍較高，說明湖北省內(nèi)湖泊受到外源污染影響較為嚴重.而湖北省內(nèi)湖泊的外源污染來源主要為工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源污染(大量使用農(nóng)藥、化肥及規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)生了大量的污水)、大量生活污水以及雨沖刷污水等[17]，這反映出對于當前的污染控制管理力度仍需加強.

2.4 熒光組分聚類分析

湖北省位于中國中部地區(qū)，境內(nèi)主要河流為長江、漢江干流，省內(nèi)湖泊眾多，主要分布在江漢平原上.從圖1中可以看到，采樣湖泊大多數(shù)分布在長江和漢江干流交匯處及其周邊.根據(jù)平行因子分析的結(jié)果，以熒光光譜中各成分的相對含量為變量進行聚類分析，得到樣品DOM熒光組分聚類結(jié)果，如圖5所示.

圖5 湖泊沉積物間隙水DOM熒光組分聚類分析Fig. 5 Clustering analysis for fluorescence components of DOM

從整體來看，采樣湖泊之間的距離均在5之內(nèi)，說明熒光組分差別不大.因為在31個湖泊中有21個湖泊的DOM熒光光譜均含有以上5個成分，其余10個湖泊中只有少數(shù)幾個含有3個成分.從局部來看，長江干流上的策湖和花馬湖、漢江干流上的后湖和童家湖分別為相鄰湖泊，且分別在同一類湖泊中；長江干流上的上津湖和龍感湖分別位于湖北省與湖南省和安徽省交界的地方，在同一類湖泊中；屬于漢江流域的東西汊湖、漢陽東湖、武湖和野潴湖在同一類湖泊中；而漢江干流上的東西汊湖和長江干流上的牛浪湖較為相似，在同一類湖泊中.從以上所舉例子可以看出，采樣湖泊沉積物間隙水中的DOM熒光成分組成并沒有明顯的流域差異性，這種差異性只是小范圍的.因為，一方面所研究湖泊沉積物pH范圍在6.75～7.44之間(未發(fā)表數(shù)據(jù))，均呈弱堿性，且這些湖泊都為淺水湖，湖體內(nèi)部環(huán)境相似；另一方面所采樣湖泊分布較為集中，主要分布在武漢市內(nèi)漢江和長江交匯處，其余少量分布在湖北省境內(nèi)長江途徑的幾個市內(nèi)，這些地區(qū)沿江人口密集，經(jīng)濟較為發(fā)達，工業(yè)園區(qū)密布，且沿湖有圍墾造田[18]，大量的工、農(nóng)業(yè)及生活污水排放進入湖體，這些人為干擾因素使得湖體中有機質(zhì)成分并不穩(wěn)定.

3 結(jié)論

對湖北省內(nèi)采樣湖泊沉積物間隙水DOM的三維熒光光譜特征進行分析，由于存在熒光峰的重疊和偏移的現(xiàn)象，不能準確識別和判斷DOM中所含的熒光組分.采用平行因子法，將樣品中DOM的熒光光譜分成了5個獨立的熒光成分，它們主要為兩個類富里酸成分以及類胡敏酸、類色氨酸和類酪氨酸，此方法有效地識別了樣品中所含的DOM組分數(shù)及組分類型.熒光成分相對含量分析中，主要來源于外源輸入的類富里酸總含量高于類胡敏酸和類蛋白，成為所研究湖泊沉積物中較為活躍的有機酸，間接說明這些湖泊受外源污染較為嚴重.根據(jù)平行因子分析的結(jié)果，以熒光光譜中各因子的相對含量為變量對熒光組分進行聚類，發(fā)現(xiàn)所采樣湖泊沉積物間隙水中的DOM組分差別不明顯，只存在小范圍的流域差異性.