張怡晅，龐 銳，任源鑫，程丹東

(1：西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710127) (2：英國(guó)伯明翰大學(xué)，地理、地球和環(huán)境科學(xué)學(xué)院，伯明翰 B15 2TT)

有色可溶性有機(jī)物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)是廣泛分布于自然水體中的一類成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含有多種高活性化學(xué)官能團(tuán)的大分子聚合物，是水體溶解有機(jī)物(dissolved organic matter, DOM)的重要組分，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)健康、能量流動(dòng)及生物地球化學(xué)循環(huán)有重要影響[1-2]. CDOM含有光特性基團(tuán)因而具有光吸收特性，能有效吸收紫外輻射，從而保護(hù)水生生物；CDOM與生物地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)，為水生生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌和浮游植物生長(zhǎng)供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)；CDOM作為全球碳庫(kù)的關(guān)鍵組成部分，由于復(fù)雜的來(lái)源、組成和分子結(jié)構(gòu)，其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程也是全球碳循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)[3-5]. 因此，CDOM遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及影響因素受到了越來(lái)越多的關(guān)注[6-7]. 光化學(xué)反應(yīng)和微生物代謝過(guò)程被認(rèn)為是控制水體CDOM轉(zhuǎn)化和降解的主要因素. 研究表明，光化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程通過(guò)改變CDOM的生物利用度來(lái)促進(jìn)或抑制微生物代謝，影響CDOM的轉(zhuǎn)化與降解[8]. 例如，光化學(xué)降解將大分子CDOM轉(zhuǎn)化為易于被微生物利用的小分子有機(jī)物，提高CDOM的微生物代謝[9-10]. 生物代謝通過(guò)釋放CDOM增加DOM光化學(xué)活性[11-12]. 同時(shí)，光照會(huì)降低光敏性微生物的豐度，從而抑制CDOM的微生物代謝[13-14].

CDOM的光反應(yīng)性和生物活性都與其組成、來(lái)源和化學(xué)特性有關(guān)[15]. 研究表明，微生物代謝和光化學(xué)降解都可能在水體中競(jìng)爭(zhēng)CDOM轉(zhuǎn)化和分解[16]. 然而，由于不同的結(jié)構(gòu)特征，一些CDOM(如內(nèi)源CDOM)更容易被微生物消耗，但難以被光化學(xué)降解，而另一些(如芳香族腐殖質(zhì))則呈現(xiàn)相反的可利用模式[15]. 此外，微生物趨向優(yōu)先消耗非有色DOM[17]. 快速發(fā)展的城市化改變了CDOM的輸入途徑，城市排污管道溢流、非透水地面形成的徑流及城市中大面積的景觀草地向水體提供大量獨(dú)特的有機(jī)物，如生物可利用度高的CDOM[18]. 城市水體中高度動(dòng)態(tài)化的CDOM反映了不同來(lái)源CDOM在不同時(shí)空尺度下的相互作用和非線性混合及其轉(zhuǎn)化的范圍與程度[19]. 這些獨(dú)特的CDOM在轉(zhuǎn)化過(guò)程中消耗氧氣，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能，如氮的循環(huán)分解，產(chǎn)生顯著影響[20]. 而城市非點(diǎn)源輸入對(duì)水體CDOM的遷移轉(zhuǎn)化的影響，以及城市水體不同來(lái)源CDOM轉(zhuǎn)化與降解過(guò)程在微生物和光化學(xué)作用之間關(guān)系的重疊程度研究較少. 為了滿足水質(zhì)監(jiān)管要求，厘清城市水體復(fù)雜的CDOM遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程是至關(guān)重要的，不僅有利于評(píng)估城市流域碳循環(huán)過(guò)程，也有助于對(duì)城市流域的可持續(xù)開發(fā)與管理.

伯明翰是英國(guó)除倫敦外最大的城市，人口密集，也是典型的工業(yè)城市[21]. 作為全國(guó)運(yùn)河網(wǎng)的交匯點(diǎn)，伯明翰擁有多種不同類型的水體. 由于多樣的流域環(huán)境以及人類活動(dòng)，其城市水體中的CDOM來(lái)源與組成更為復(fù)雜且更容易受到影響[20]. 因此，為解析城市化水體非點(diǎn)源輸入對(duì)CDOM濃度及組成的影響，闡明光化學(xué)過(guò)程和微生物代謝對(duì)不同城市水體CDOM降解與轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)，本研究在英國(guó)伯明翰選擇了3種不同的城市水體. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室光化學(xué)和微生物控溫培養(yǎng)，揭示光化學(xué)及微生物影響下CDOM特性的變化，比較分析光化學(xué)或/和微生物優(yōu)先利用的CDOM組分. 以期為不同城市水體CDOM來(lái)源及活性差異特征研究提供了新的思路，針對(duì)光化學(xué)和微生物處理過(guò)程中CDOM特性的改變方式形成了新的認(rèn)識(shí)，結(jié)果對(duì)研究全球城市化快速發(fā)展背景下城市流域碳循環(huán)及水陸界面碳交換也具有重要的理論意義.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究選取英國(guó)伯明翰市內(nèi)3類具有代表性的典型DOM來(lái)源水體，分別是布恩河(B，城市河流)、韋爾湖(V，城市湖泊)以及埃德巴斯頓湖(E，非城市湖泊)(圖1). 布恩河位于伯明翰市區(qū)(52°26′51"N, 1°55′49"W)，流經(jīng)伯明翰大學(xué)，上游沒有直接的污染源，但是接受城市雨水和合流污水系統(tǒng)溢流. 韋爾湖位于布恩河支流查德河下游，屬于人工湖，西側(cè)毗鄰學(xué)生公寓，東側(cè)為城市公園. 埃德巴斯頓湖四周環(huán)境以森林草地為主. 該湖泊及其周邊地區(qū)因其多樣的林地和濕地棲息地而被授予具有特殊科學(xué)價(jià)值的地點(diǎn)(SSSI)地區(qū). 于2016年6-7月在點(diǎn)位B、V及E分別采集表層(0～10 cm)水樣，每個(gè)點(diǎn)位多點(diǎn)水樣采集并混合后置于2 L聚乙烯采樣瓶中4℃避光冷藏運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，用0.22 μm聚碳酸酯濾膜(Millipore)過(guò)濾[13,22]，并保存于-20℃ 的黑暗環(huán)境中直至分析. 現(xiàn)場(chǎng)用Hanna便攜式水質(zhì)測(cè)試儀與YSI ODO測(cè)試儀測(cè)定水溫(T)、pH、電導(dǎo)率(EC)以及溶解氧(DO)等參數(shù)(表1).

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Map of the study area showing the location and station name of the sampling sites

表1 各點(diǎn)位基本水質(zhì)指標(biāo)

1.2 光/微生物降解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)分為4組(表2),分別考察不同類型水體的CDOM的光降解、微生物降解，以及光-微生物聯(lián)合降解作用. 簡(jiǎn)而言之，將各樣點(diǎn)經(jīng)過(guò)0.22 μm濾膜過(guò)濾后的水樣等量(100 mL)置于事先經(jīng)過(guò)10% HCl潤(rùn)洗的玻璃培養(yǎng)瓶中，在需要微生物的處理的水樣中加入2 mL取自布恩河并經(jīng)過(guò)2.7 μm孔徑濾膜過(guò)濾后的接種水[22]. 不需要光照的樣品瓶用鋁箔包裹，以避免光輻照. 各降解培養(yǎng)體系均為三樣平行培養(yǎng)(n=36)，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)箱光照恒溫條件下((25000±2500) lx, 25℃)進(jìn)行為期9天的培養(yǎng).

表2 光/微生物降解室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.3 樣品分析方法

水體葉綠素采用D3731-87(2004)標(biāo)準(zhǔn)和Dos Santos等[23]所述的丙酮萃取法提取和測(cè)定，取樣點(diǎn)背景值見表1. 通常使用350 nm處的吸收系數(shù)(A350)來(lái)表示CDOM的相對(duì)濃度. CDOM吸收光譜使用FENAC UV-vis紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，以Milli-Q水為空白，掃描波長(zhǎng)范圍為200～500 nm.A350可根據(jù)公式(1)計(jì)算：

aλ=2.303Aλ/L

(1)

式中，λ為波長(zhǎng)，nm；aλ波長(zhǎng)λ處的吸收系數(shù)，m-1；L為光程路徑，cm；Aλ為波長(zhǎng)為λ處的吸光度，m-1. 根據(jù)Helms等[24]，光譜斜率S可由公式(2)計(jì)算：

aλ=aλrefe-s(λ-λref)

(2)

式中，aλ和aλref分別為水樣在波長(zhǎng)λ和λref處的吸收系數(shù)，在本研究中計(jì)算波長(zhǎng)范圍為275～295 nm(S275～295)和350～400 nm(S350～400)，兩者比值為光譜斜率比值SR，與CDOM相對(duì)分子量呈負(fù)相關(guān).

三維熒光光譜(EEM)采用Cary Eclipse熒光分光光度計(jì)(安捷倫技術(shù)公司)進(jìn)行測(cè)定，使用1 cm石英比色皿，以Milli-Q水為空白，激發(fā)波長(zhǎng)(Ex)為200～400 nm，間隔5 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為280～500 nm，間隔2 nm；掃描速度為9600 nm/min，狹縫寬度為5 nm. 所有的樣品需要去除拉曼及瑞利散射，并減去Milli-Q水的EEM. 熒光指數(shù)(FI)、腐殖化指數(shù)(HIX)以及自生源指數(shù)(BIX)分別用來(lái)指示CDOM來(lái)源，腐殖化程度以及內(nèi)源物質(zhì)對(duì)CDOM的相對(duì)貢獻(xiàn)[25]. 采用MATLAB2016軟件中的DOMFluor工具箱通過(guò)平行因子分析法(PARAFAC)進(jìn)行CDOM組分分析. PARAFAC分析的原理是將EEMs數(shù)據(jù)集分解為一系列的三線性項(xiàng)和殘差數(shù)矩陣，并使殘差平方和最小化，通過(guò)對(duì)半檢驗(yàn)、殘差和負(fù)荷分析確定種熒光組分模型并進(jìn)行驗(yàn)證.

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

三維熒光光譜、平行因子分析和各熒光參數(shù)指標(biāo)的分析由MATLAB2016完成. 利用R4.0.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算、正態(tài)分布檢驗(yàn)、相關(guān)性分析、主成分分析(PCA)、方差分析等，P<0.05表示差異顯著. 采樣點(diǎn)分布圖采用ArcGIS 10.1繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 初始水體性質(zhì)分析

2.1.1 平行因子分析結(jié)果 利用PARAFAC模型對(duì)三維熒光光譜進(jìn)行解析，所得4組分模型C1～C4能很好地通過(guò)對(duì)半檢驗(yàn)(圖2). 在Openfluor數(shù)據(jù)庫(kù)(https://openfluor.lablicate.com/)[26]中進(jìn)行匹配，選擇Tucker收斂系數(shù)(TCC)高于0.95判定熒光組分的具體物質(zhì)(表3). 其中，組分C1(Ex/Em=<250，345/458 nm)為外源輸入的類腐殖酸，分子中含有很大比例的芳香族碳；組分C2(Ex/Em=<250，295/386 nm)歸為微生物代謝產(chǎn)物的類腐殖酸，由有機(jī)物經(jīng)過(guò)微生物降解后產(chǎn)生，與M峰類似，具有一定的自生源特征，在污水、農(nóng)業(yè)等環(huán)境中較為常見；組分C3(Ex/Em=<250，285/400 nm)為類腐殖酸和類色氨酸混合物，可代表光/微生物降解的產(chǎn)物；組分C4(Ex/Em=<250，280/322 nm)代表類蛋白質(zhì)中的酪氨酸組分，主要由水生生物或微生物的新陳代謝作用產(chǎn)生，代表內(nèi)源CDOM.

圖2 平行因子分析得到的4個(gè)組分EEMs及載荷Fig.2 Fluorescent spectra and loadings of the four PARAFAC models

表3 OpenFluor數(shù)據(jù)庫(kù)中PARAFAC組分及最大TCC值

2.1.2 不同水體CDOM組成和光學(xué)特征 不同水體之間CDOM特征光學(xué)參數(shù)初始值(t0)見表4. 采用A350表征CDOM相對(duì)濃度，各水體間CDOM濃度具有顯著差異，其中湖泊中的A350高于河流，非城市湖泊E點(diǎn)位的A350高于城市湖泊. 非城市湖泊E點(diǎn)位的CDOM相對(duì)濃度顯著高于典型城市河流B點(diǎn)位(ANOVA,P<0.001). 這是由于非城市湖泊接受周圍土壤輸入大量有機(jī)物，且藻類活動(dòng)明顯，導(dǎo)致CDOM在湖泊水體累積[25]. 研究認(rèn)為254 nm處的紫外吸收值(SUVA254)與芳香烴含量呈正比[31]. 本研究中，城市河流B點(diǎn)位的SUVA254明顯高于湖泊(ANOVA:P<0.05)，芳香族化合物濃度較高，說(shuō)明城市河流受城市化影響顯著，接受污水管道溢流，導(dǎo)致更多芳香族化合物在此區(qū)域積累[25]. 熒光光譜特征參數(shù)(FI、BIX和HIX)被用來(lái)表征CDOM組分的來(lái)源，但其統(tǒng)計(jì)學(xué)差異并不顯著. 基于CDOM各熒光組分占比，非城市湖泊E點(diǎn)位的陸源腐殖類熒光組分(即C1)貢獻(xiàn)較高，類蛋白質(zhì)組分占比較低，其CDOM主要源于土壤滲流及地表徑流輸入，受人類活動(dòng)影響小，代表陸源主導(dǎo)的非城市水體. 而城市湖泊有較強(qiáng)的自生源特征，自生源特征腐殖質(zhì)(C2)及類蛋白質(zhì)組分(C4)占比高，為典型城市水體. 最新研究發(fā)現(xiàn)，受人類活動(dòng)影響的水體中存在類似的生物熒光成分富集現(xiàn)象[7,32]. 與非城市湖泊相比，城市湖泊由于受到人類活動(dòng)的影響，CDOM來(lái)源及組成都相對(duì)復(fù)雜，這與Lv等[20]的研究結(jié)果一致. 而城市河流中陸源腐殖質(zhì)及自生源腐殖質(zhì)占比相當(dāng)，具有混合源的特征，受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈. 雖然城市河流CDOM濃度較低，但是含有豐富的芳香烴，且由于較短的水力滯留時(shí)間，CDOM活性也較高[33].

表4 不同水體的CDOM濃度和光學(xué)特征1)

1)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式為：均值(標(biāo)準(zhǔn)差)；NS：P>0.05；*: 0.05>P>0.01；**: 0.01>P>0.001；***：P<0.001.

2.2 光/微生物降解過(guò)程中CDOM濃度和組成及特征光學(xué)參數(shù)的變化

2.2.1 不同水體CDOM特征參數(shù)的變化 不同培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)體系中，不同水體CDOM特征光學(xué)參數(shù)變化如表5所示. 培養(yǎng)前后不同點(diǎn)位各處理組間的A350及光譜斜率比SR的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表6). 雖然在培養(yǎng)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)FI有明顯變化趨勢(shì)，但HIX以及BIX均在9 d的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)明顯的變化. 結(jié)果說(shuō)明在培養(yǎng)過(guò)程中，光/微生物對(duì)CDOM濃度及組成具有顯著影響，且與CDOM的組成及來(lái)源有關(guān). 有趣的是，雖然在初始階段，各水體中的葉綠素含量差異并不顯著，但是反應(yīng)結(jié)束時(shí)，不同處理的培養(yǎng)體系中葉綠素濃度(Chl.a)出現(xiàn)明顯的差異(P<0.001)(表5)，意味著光合細(xì)菌活動(dòng)明顯且與培養(yǎng)方式有關(guān).

對(duì)于光降解培養(yǎng)體系，各水體中A350均顯著降低，表明CDOM發(fā)生顯著降解. 其中，城市河流CDOM的降解率最高，為16.60%；非城市湖泊CDOM的降解率為15.31%，而自生源主導(dǎo)城市湖泊中CDOM降解率最低為12.03%. 隨著CDOM濃度下降，不同水體的SR相較于未透光的對(duì)照組均呈現(xiàn)增加，表明光化學(xué)作用可將大分子量的CDOM分解為小分子的有機(jī)物[34-35]. 不同水體的HIX值在光照過(guò)程中都發(fā)生了顯著的降低，說(shuō)明CDOM腐殖化程度不斷下降. 結(jié)合BIX的變化，光照前后，河流水體中CDOM從較強(qiáng)腐殖化特征向自生源特征轉(zhuǎn)變. 一方面，相較于靜態(tài)的湖泊水體，河流由于較短的水力滯留時(shí)間，其CDOM活性較高. 另一方面，相較于城市湖泊，陸源主導(dǎo)的非城市湖泊CDOM含有豐富的芳香性碳，具有更強(qiáng)的光化學(xué)活性[16].

表5 不同培養(yǎng)體系中水體CDOM光學(xué)參數(shù)特征*

表6 重復(fù)方差分析的結(jié)果*

2.2.2 不同水體CDOM熒光組分變化特征 不同培養(yǎng)體系中CDOM熒光組分變化如圖3所示. 與CDOM相對(duì)濃度相似，所有熒光組分均在9 d的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)明顯的變化(P<0.001). 結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明光/微生物降解作用依賴于CDOM初始的濃度及組成的不同水平[36].

在本研究中，熒光強(qiáng)度以百分比(%Ci)表示，以減少CDOM濃度的影響[7]. 在光降解培養(yǎng)體系中，非城市湖泊、城市湖泊及城市河流CDOM中陸源腐殖質(zhì)熒光組分C1的相對(duì)豐度都顯著降低(P<0.05)，分別降低了6.33%、4.02%和20.16%. 陸源腐殖質(zhì)類CDOM比微生物來(lái)源的有機(jī)物相對(duì)更具光反應(yīng)性，這是由于大分子富里酸和腐殖酸中存在多種苯環(huán)及共軛體系等光敏結(jié)構(gòu)，易吸收紫外光而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)[16,22]. 對(duì)于微生物培養(yǎng)體系，各水體CDOM中C1占比變化并不顯著. 陸源腐殖質(zhì)組分一般以芳香族化合物為主，常被認(rèn)為是生物難降解的[37]. 而對(duì)于光-微生物聯(lián)合培養(yǎng)體系，非城市湖泊中C1組分相對(duì)豐度的減少顯著高于光降解培養(yǎng)體系，為9.63%. 表明光降解和微生物代謝這兩個(gè)過(guò)程通過(guò)協(xié)同作用提高了CDOM的降解速率，即光化學(xué)過(guò)程促進(jìn)了生物代謝，反之亦然[38]. 而城市水體中這樣的差別并不顯著，進(jìn)一步說(shuō)明了城市化會(huì)影響光降解和微生物代謝對(duì)CDOM的協(xié)同作用. 對(duì)于與人為活動(dòng)相關(guān)的微生物源腐殖質(zhì)C2，湖泊水體在各培養(yǎng)體系中變化并不顯著. 但是城市河流中的C2占比發(fā)生了顯著的變化，在光降解培養(yǎng)體系，微生物培養(yǎng)體系以及光-微生物聯(lián)合培養(yǎng)體系中分別減少了20.71%、7.35%和16.89%. 進(jìn)一步表明河流CDOM活性較高，這與之前的研究結(jié)果一致[37-38]. 微生物培養(yǎng)對(duì)不同水體CDOM中C3及C4組分相對(duì)豐度的影響并不顯著. 而在光降解培養(yǎng)體系中，城市湖泊與非城市湖泊水體CDOM中光/微生物降解產(chǎn)物C3分別增加了10.68%和5.92%. 且C3相對(duì)豐度在光-微生物聯(lián)合培養(yǎng)體系中的增加更為顯著，分別為11.62%和8.66%. 這是由于生物和光對(duì)CDOM的降解存在互利的作用，光照將腐殖質(zhì)類CDOM分解成為易被生物利用的小分子有機(jī)物，促進(jìn)了微生物的代謝[38]. 相較于靜態(tài)的湖泊水體，城市河流中類蛋白質(zhì)組分C4的相對(duì)豐度在光降解培養(yǎng)體系中顯著增加了28.55%. 這可能是由于河流水體中原有的活性較高的類蛋白組分在光照過(guò)程中被加速“老化”轉(zhuǎn)化為難降解的狀態(tài)，出現(xiàn)類蛋白質(zhì)類CDOM的累積現(xiàn)象[39-40]. 結(jié)果表明，CDOM光降解對(duì)微生物代謝有促進(jìn)作用還是抑制作用取決于CDOM的濃度、組成以及來(lái)源.

圖3 不同培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)體系CDOM熒光組分變化特征(不同字母(a、b、c)表示差異顯著(P<0.05))Fig.3 Variation characteristics of four CDOM fluorescence components in difference incubation systems (Different letters (a, b, c) represent differences are significant at P<0.05)

2.3 光/微生物降解過(guò)程中不同水體CDOM組成及光學(xué)特征參數(shù)的主成分分析(PCA)

對(duì)不同培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)體系中各水體CDOM組成、光學(xué)特征參數(shù)以及葉綠素濃度進(jìn)行主成分分析. 主成分1和2共同解釋了這些參數(shù)變化的73.7%(圖4). 主成分1(PC1)解釋了44.8%的變化，與類蛋白質(zhì)物質(zhì)C4、SR、BIX以及葉綠素濃度呈正相關(guān)；與類腐殖質(zhì)物質(zhì)C1及HIX呈負(fù)相關(guān)(圖4B). 主成分2(PC2)解釋了總方差的28.9%，與A350及類蛋白質(zhì)組分C3呈正相關(guān)，與SUVA254呈負(fù)相關(guān). 其中，類蛋白質(zhì)組分C4與葉綠素濃度呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明生物代謝活動(dòng)會(huì)生成小分子量的類蛋白質(zhì).

圖4 不同來(lái)源CDOM在各培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中主成分分析得分圖(a)以及荷載圖(b)Fig.4 Principal component analysis scores plot (a) and loadings plot (b) for incubation systems

主成分分析得分圖可表示不同水體CDOM在各培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)體系之間的變化(圖4A). 城市河流B點(diǎn)位的CDOM與PC2顯示出強(qiáng)正負(fù)相關(guān)，高分子量的芳香族有機(jī)物含量高，表明該來(lái)源與城市生活污水有關(guān). 經(jīng)過(guò)9 d的培養(yǎng)，微生物活動(dòng)及未透光的對(duì)照組中城市河流CDOM的變化并不明顯，與初始值存在強(qiáng)相似性，組成仍以強(qiáng)芳香性自生源特征腐殖質(zhì)為主. 這是由于主導(dǎo)城市河流的自生源特征腐殖質(zhì)由有機(jī)物經(jīng)過(guò)微生物降解后產(chǎn)生，幾乎不含新鮮/不穩(wěn)定的組分[41]. 而經(jīng)過(guò)光降解及光-微生物聯(lián)合培養(yǎng)，城市河流B點(diǎn)位的CDOM與PC1展現(xiàn)出了明顯的正相關(guān)，更趨向于小分子量的類蛋白質(zhì)CDOM，表明城市河流CDOM的光化學(xué)活性高. 且城市河流中類蛋白質(zhì)CDOM與葉綠素濃度呈顯著正相關(guān)(圖5A). 表明光照促進(jìn)了城市河流中CDOM大分子陸源腐殖質(zhì)降解成為小分子化合物促進(jìn)微生物代謝生成類蛋白質(zhì)類有機(jī)物[8,42]. 初始的城市湖泊CDOM與PC1呈正相關(guān)，表明新鮮的、低分子量的、低芳香烴的、不穩(wěn)定的CDOM占優(yōu)勢(shì). 經(jīng)過(guò)9 d的微生物培養(yǎng)，這些物質(zhì)與PC1呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，表明這一部分有機(jī)物的損失以及進(jìn)一步降解增加的有機(jī)物腐殖質(zhì)部分. 這與Hansen等[31]的研究結(jié)果一致，隨著CDOM的生物降解，低分子量的類蛋白質(zhì)CDOM被優(yōu)先降解，從新鮮物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì). 而經(jīng)過(guò)光照培養(yǎng)，城市湖泊CDOM特征變化較小，與PC2仍表現(xiàn)出微弱的負(fù)相關(guān). 這表明光照后的CDOM組成與初始值類似，也進(jìn)一步說(shuō)明相較于類蛋白質(zhì)CDOM，類腐殖質(zhì)組分更具有光化學(xué)活性. 城市湖泊V點(diǎn)位的CDOM在光-微生物聯(lián)合培養(yǎng)中的變化與光照培養(yǎng)類似，并不明顯，組成仍以類蛋白質(zhì)組分為主，且類蛋白質(zhì)CDOM的變化與葉綠素濃度無(wú)顯著相關(guān)性(圖5B). 因此，城市湖泊CDOM中類蛋白質(zhì)物質(zhì)的累積是由于光照改變了類蛋白質(zhì)組分結(jié)構(gòu)，使其更難被微生物利用[38]. 表明光照會(huì)抑制類蛋白質(zhì)組分主導(dǎo)的CDOM的微生物代謝過(guò)程[13-14]. 陸源主導(dǎo)的非城市水體CDOM(E)在微生物培養(yǎng)過(guò)程中，與PC1的負(fù)相關(guān)性增強(qiáng)，說(shuō)明少量的類蛋白質(zhì)組分被分解生成腐殖質(zhì)[31]. 與對(duì)照組相比，經(jīng)過(guò)光照的陸源主導(dǎo)CDOM由較高的負(fù)PC1荷載轉(zhuǎn)移到較高的負(fù)PC2荷載，表明腐殖質(zhì)占比的減少. 這是由于腐殖質(zhì)更具光化學(xué)活性[16]. 在光-微生物聯(lián)合培養(yǎng)中，由負(fù)PC1荷載轉(zhuǎn)移到負(fù)的PC2荷載，陸源主導(dǎo)的非城市水體CDOM逐步展現(xiàn)出具有高蛋白質(zhì)組分的自生源特征但與葉綠素濃度無(wú)明顯相關(guān)性(圖5C). 這進(jìn)一步說(shuō)明了在經(jīng)歷光照和生物同時(shí)影響時(shí)，CDOM組成的變化是非常復(fù)雜的.

圖5 不同水體類蛋白質(zhì)CDOM占比與葉綠素濃度的關(guān)系： (A)城市河流B、(B)城市湖泊V和(C)非城市湖泊EFig.5 Relationships between the average percentage of protein-like components CDOM and chlorophyll concentration in different water bodies: (A) urban stream B, (B) urban lake V and (C) non-urban lake E

上述分析表明，由于CDOM成分復(fù)雜，對(duì)于來(lái)源與組成不同的CDOM，其光/微生物降解過(guò)程不同，產(chǎn)物也不盡相同. 與非城市水體相比，城市水體中CDOM呈現(xiàn)出自生源貢獻(xiàn)相對(duì)大于陸源輸入，并且蛋白質(zhì)類和/或微生物類CDOM的比例相對(duì)較大，具有較強(qiáng)的生物活性. 而非城市水體CDOM的光反應(yīng)性更強(qiáng). 本研究是基于短期室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，初步分析光化學(xué)過(guò)程和微生物代謝對(duì)不同城市水體CDOM降解與轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)，仍然缺乏對(duì)城市水體CDOM的光/微生物降解機(jī)理及其環(huán)境效應(yīng)的深刻理解和定量估計(jì)，未來(lái)需要更多的受控實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及構(gòu)建CDOM光/微生物反應(yīng)過(guò)程模型，探究無(wú)機(jī)氮磷以及離子對(duì)CDOM組分生物降解的影響，提高我們對(duì)驅(qū)動(dòng)CDOM轉(zhuǎn)化的基本機(jī)制及其在全球變暖中作用的理解.

3 結(jié)論

1) 城市河流由于接受上游污水排放及較短的水力滯留時(shí)間，含有豐富的芳香性碳，其CDOM光化學(xué)活性明顯高于湖泊CDOM.

2) 城市湖泊受人類活動(dòng)影響，微生物熒光成分富集，自生源CDOM主導(dǎo)，由于富含氨基酸、碳水化合物以及糖類物質(zhì)等，較非城市水湖泊CDOM更具生物活性. 而相較于城市湖泊，非城市湖泊由于接受周圍景觀土壤輸入的大量腐殖質(zhì)類CDOM，光照對(duì)其降解轉(zhuǎn)化作用較為明顯.

3) 光化學(xué)過(guò)程和微生物過(guò)程對(duì)CDOM的轉(zhuǎn)化降解具有協(xié)同/抑制作用. 光照促進(jìn)了陸源CDOM中大分子類腐殖質(zhì)物質(zhì)降解成為生物活性高的小分子化合物，刺激微生物代謝生成蛋白質(zhì)類有機(jī)物；以類蛋白質(zhì)物質(zhì)為主導(dǎo)的自生源CDOM在光照過(guò)程中被轉(zhuǎn)化為難降解的狀態(tài)，生物活性降低，CDOM微生物代謝過(guò)程被抑制.