(成都理工大學(xué) a. 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b. 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

目前，養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展造成大量水產(chǎn)動物排泄物和過剩餌料排入水體中，導(dǎo)致受納水體水質(zhì)顯著惡化、生態(tài)水環(huán)境問題突出。常見的養(yǎng)殖業(yè)污染物包括溶解性有機(jī)物(DOM)、氮和磷等[1]。其中，DOM是一類具有不同分子大小、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜有機(jī)化合物，對環(huán)境污染物的形態(tài)、遷移、轉(zhuǎn)化、毒性及生物效應(yīng)等均具有重要的影響[2]?，F(xiàn)階段研究表明，DOM極易與重金屬離子發(fā)生相互作用，進(jìn)而影響重金屬離子在水生環(huán)境中的形態(tài)分布、溶解、流動和毒性等，因此，研究DOM和重金屬的相互作用機(jī)理，對探明重金屬污染物的生物、地球化學(xué)循環(huán)具有重要的意義。

目前，采用光譜學(xué)技術(shù)來評估DOM與重金屬之間的相互作用機(jī)理得到了廣泛研究，最常用的有紫外-可見光譜、高效液相色譜(HPLC)、分子量分布和熒光光譜等[3-4]。其中，熒光光譜具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種評估DOM與重金屬相互作用的重要手段[5]。與傳統(tǒng)掃描模式相比，三維熒光光譜(3D-EEM)技術(shù)通過同時(shí)改變激發(fā)波長和發(fā)射波長，可以提供更多關(guān)于熒光強(qiáng)度和位置的有用信息。結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)工具平行因子分析(PARAFAC)技術(shù)，可以進(jìn)一步識別重疊熒光組分種類，已被成功地用于研究環(huán)境領(lǐng)域中各種熒光物質(zhì)與重金屬之間的相互作用機(jī)理[6]。然而，DOM中的主要成分(蛋白質(zhì)、腐殖酸等)均存在與重金屬離子反應(yīng)的配位位點(diǎn)，對重金屬離子具有不同的絡(luò)合能力。二維相關(guān)光譜(2D-COS)，將光譜信號擴(kuò)展到第2維度上以提高光譜分辨率，可以觀察到各吸收峰隨外部擾動的變化關(guān)系以及對外部擾動的敏感程度[7-9]。結(jié)合2D-COS可以進(jìn)一步揭示DOM與重金屬之間的結(jié)合順序，然而，目前相關(guān)報(bào)道較少。

本文中采用光譜學(xué)耦合化學(xué)計(jì)量學(xué)的手段研究DOM與重金屬的相互作用及其機(jī)理。以Cu(Ⅱ)作為與DOM反應(yīng)的典型重金屬離子，采用3D-EEM、PARAFAC、同步熒光和2D-COS相結(jié)合的方法，對DOM與重金屬反應(yīng)過程和機(jī)理進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖廢水及DOM樣品來源

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水取自某小型養(yǎng)魚廠，取樣時(shí)間為7月份，該時(shí)間段生物活性較大，DOM濃度相對較高。取樣時(shí)，在廠區(qū)的4個(gè)角落分別采樣，然后進(jìn)行充分混合?；旌蠌U水DOM初始pH約為7.7。DOM樣品通過孔徑為0.45 nm的濾膜過濾，然后在溫度為4 ℃的冰箱中儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 DOM-重金屬混合液熒光猝滅滴定

在50 mL容量瓶中加入25 mL DOM溶液和一系列不同體積的Cu(Ⅱ)溶液(質(zhì)量濃度為100 mg/L)，通過調(diào)控使得混合液中最終Cu(Ⅱ)的質(zhì)量濃度保持在0～20 mg/L。采用HCl或NaOH，將初始pH調(diào)節(jié)至6.0，以避免重金屬沉淀。隨后，將該溶液在振蕩搖床中搖晃混合12 h，確保反應(yīng)達(dá)到平衡。

1.3 分析方法

通過使用總有機(jī)碳(TOC)分析儀(Vario TOC Select型，德國艾力蒙塔公司)分析DOM樣品中的碳含量。以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)，采用苯酚-硫酸法測定多糖(PS)含量，以牛血清白蛋白(BSA)為標(biāo)準(zhǔn)，采用改良Lowry法測定蛋白質(zhì)(PN)含量。采用熒光光譜儀(LS-55型，美國珀金埃爾默公司)測量DOM與重金屬離子反應(yīng)前、后的3D-EEM光譜。測試條件如下，激發(fā)波長為200～400 nm，發(fā)射波長為250～580 nm，狹縫為10 nm。使用MATLAB 7.0和N-way工具箱對反應(yīng)的3D-EEM圖譜進(jìn)行PARAFAC分析，得到相關(guān)組分和得分。同步熒光光譜波長為250～550 nm，Δλ為60 nm。參考Noda等[10]報(bào)道的方法，獲得同步熒光光譜的同步和異步2D光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 DOM中關(guān)鍵組分定量分析

表1所示為添加不同劑量Cu(Ⅱ)前、后DOM樣品中主要組分TOC、PS和PN的變化情況。從表中可知，Cu(Ⅱ)的質(zhì)量濃度從0增大到15 mg/L，DOM中的TOC的質(zhì)量濃度逐漸從16.0 mg/L減小到6.56 mg/L，同時(shí)，PS、PN的質(zhì)量濃度也分別從24.1、19.2 mg/L減小至17.5、2.35 mg/L，表明DOM中2種主要組分在與Cu(Ⅱ)相互作用中均發(fā)揮作用。此外，PN與PS質(zhì)量濃度的比值從0.797減小至0.134，表明PN類物質(zhì)對Cu(Ⅱ)絡(luò)合的敏感性高于PS類物質(zhì)。為了深入研究DOM和重金屬之間的作用機(jī)理，以下主要采用3D-EEM、PARAFAC、同步熒光和2D-COS分別對蛋白質(zhì)進(jìn)行分析。

2.2 3D-EEM光譜表征

圖1所示為DOM樣品與不同劑量的Cu(Ⅱ)污染物反應(yīng)前、后的3D-EEM光譜。從圖中觀察到DOM和Cu(Ⅱ)之間的相互作用不僅影響EEM光譜位置，也會影響峰值強(qiáng)度。如圖1(a)所示，從原始DOM樣品的EEM中鑒定出3個(gè)主要熒光峰：A峰出現(xiàn)在激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為240、380.5 nm處，代表芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)[11-12]；B峰出現(xiàn)在激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為330、424 nm處，代表腐殖酸類物質(zhì)；C峰出現(xiàn)在激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為260.0、443.5 nm處，代表富里酸類物質(zhì)。一般而言，DOM中上述3個(gè)峰的熒光強(qiáng)度在與Cu(Ⅱ)結(jié)合后都有不同程度的降低。另外，隨著不同劑量Cu(Ⅱ)的加入，A峰降低程度最為明顯，表明DOM中的芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)在Cu(Ⅱ)存在下具有較大的猝滅效應(yīng)。

表1 添加不同劑量Cu(Ⅱ)前、后溶解性有機(jī)物樣品中主要組分的變化情況

(a)初始DOM樣品(b)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為0.25mg/L(c)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為0.50mg/L(d)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為1.00mg/L(e)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為4.00mg/L(f)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為5.00mg/L(g)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為10.00mg/L(h)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為15.00mg/L圖1 溶解性有機(jī)物(DOM)與不同劑量Cu(Ⅱ)作用三維熒光(3D-EEM)圖譜

2.3 PARAFAC分析

采用PARAFAC技術(shù)將重疊的3D-EEM光譜分解成獨(dú)立的熒光組分，結(jié)果如圖2所示。PARAFAC模型鑒定DOM出現(xiàn)2個(gè)組分。對于組分1，在激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為230、376.5 nm處鑒定出一個(gè)明顯的熒光峰，屬于芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)。

組分2在激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為350、438 nm處有一個(gè)主峰，在260、438 nm處有一個(gè)次峰，分別代表腐殖酸類物質(zhì)和富里酸類物質(zhì)。PARAFAC模型還提供了這2種熒光組分的相對分?jǐn)?shù)，如圖3所示。由圖可以看出，2種熒光組分的相對分?jǐn)?shù)均隨著Cu(Ⅱ)的加入而減小，進(jìn)一步說明它們之間存在的相互作用。

(a)蛋白質(zhì)類物質(zhì)

(b)腐殖酸和富里酸類物質(zhì)圖2 平行因子分析(PARAFAC)圖譜識別的2個(gè)熒光組分

圖3 基于平行因子分析(PARAFAC)的不同物質(zhì)在不同溶解性有機(jī)物(DOM)樣品中熒光組分的相對分?jǐn)?shù)

2.4 同步熒光分析

圖4所示為DOM樣品隨著Cu(Ⅱ)濃度變化的同步熒光光譜。根據(jù)之前文獻(xiàn)報(bào)道，可以將同步熒光劃分為3個(gè)不同區(qū)域，分別為蛋白質(zhì)類、富里酸類和腐殖質(zhì)類熒光區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)波長分別為250～300、300～380、380～550 nm[13]。初始DOM樣品的同步熒光光譜中出現(xiàn)了2個(gè)明顯的特征峰和一個(gè)小峰，分別位于284、343.5、380 nm處。與不同濃度的Cu(Ⅱ)反應(yīng)后，3個(gè)峰值分別降低至DOM初始熒光強(qiáng)度的13.0%、27.2%、31.7%。結(jié)果表明，蛋白質(zhì)類物質(zhì)與Cu(Ⅱ)結(jié)合的程度降低幅度最大，這與EEM分析結(jié)果一致；但是，在一維同步熒光中，由于DOM與Cu(Ⅱ)具有很強(qiáng)的重疊吸收特性，因此很難提供關(guān)于DOM與Cu(Ⅱ)進(jìn)一步結(jié)合特征的詳細(xì)信息。

圖4 Cu(Ⅱ)濃度不同時(shí)溶解性有機(jī)物(DOM)的同步熒光光譜

2.5 2D-COS分析

圖5為DOM與Cu(Ⅱ)反應(yīng)后的2D-COS譜圖。在同步譜圖(圖5(a))中，沿對角線方向在發(fā)射波長、激發(fā)波長分別為284、332.5 nm處發(fā)現(xiàn)2個(gè)主峰，前者強(qiáng)度大于后者，表明蛋白質(zhì)類物質(zhì)可能比富里酸類物質(zhì)更容易受Cu(Ⅱ)濃度的影響。相比之下，在異步譜圖(圖5(b))中，對角線上方有一個(gè)明顯的負(fù)面區(qū)域。區(qū)域交叉峰值位于發(fā)射波長、激發(fā)波長分別為278、328.5 nm處?；贜oda規(guī)則，熒光猝滅順序依次為328.5、278 nm，表明隨著Cu(Ⅱ)濃度的增加，DOM猝滅可能優(yōu)先按富里酸類物質(zhì)、蛋白質(zhì)類物質(zhì)的順序發(fā)生。

(a)同步圖譜

(b)異步圖譜圖5 溶解性有機(jī)物(DOM)與Cu(Ⅱ)反應(yīng)的二維相關(guān)光譜

3 結(jié)論

本文中采用熒光光譜耦合化學(xué)計(jì)量學(xué)的手段研究了DOM與重金屬離子的相互作用機(jī)制。3D-EEM表明，DOM中的蛋白質(zhì)類、腐殖酸類、富里酸類物質(zhì)均與Cu(Ⅱ)具有結(jié)合的能力，并且蛋白質(zhì)類物質(zhì)猝滅最為明顯。進(jìn)一步分析同步熒光耦合2D-COS可以揭示，隨著Cu(Ⅱ)濃度的增加，DOM猝滅的先后順序?yàn)楦焕锼崤c腐殖酸類物質(zhì)、蛋白質(zhì)類濃度。