九龍江口cdom的熒光組分分析及其河口動力學行為

九龍江口cdom的熒光組分分析及其河口動力學行為

激發(fā)發(fā)射矩陣光譜（epms）是近年來廣泛用于研究土壤溶解有機物（cdm）的熒光性質的分析技術[1.6]。在三維光譜圖中，熒光峰的位置可以定性地描述高等光束材料的類型和性質，并且這些光源的強度可以定量地指示相對濃度。識別葉片配合物的方法是找到峰法，并確定它們是類腐殖質、類蛋白質和其他熒光成分。由于cd王家的eems通常由幾個相互重疊的光源組成，因此光譜識別方法不可靠。有些峰無法識別，有些峰可以錯誤地識別。同時，該方法僅考慮epm譜圖中的幾個峰值點，大量數(shù)據(jù)被浪費。此外，對于大量樣品來說，該方法需要很長時間。近年來,Stedmon等率先提出利用平行因子分析(PARAFAC)的統(tǒng)計手段來對CDOM的EEMs進行解譜,鑒別其中的單一熒光組分及其濃度.此后,PARAFAC開始應用于確定土壤提取的有機物、陸地水環(huán)境CDOM、污染水體DOM及大洋海水CDOM等的EEMs的解譜,并用于CDOM的生物降解和光降解等過程研究.EEMs-PARAFAC已成為研究水環(huán)境中溶解有機物動力學特征的重要工具.此外,CDOM的吸收光譜也是另一種能提供水體中有機物相對含量及相對分子量大小等定性定量信息的光譜分析手段,常與熒光光譜分析方法同時使用.河口是陸源有機物輸入海洋的重要界面,這里陸源DOM與海源DOM相互混合,界面過程復雜.雖然河口區(qū)CDOM的常規(guī)熒光及三維熒光光譜已經有大量研究,但大多是采用傳統(tǒng)的尋峰法,利用PARAFAC處理河口區(qū)三維熒光光譜的還很少,國內則還未見報道.此外,CDOM的一些吸收和熒光指標已經應用于指示淡水及污水水體的水質變化[19~21],但在海水方面應用很少,而利用PARAFAC識別的熒光組分進行海水有機污染程度的示蹤研究國內外都未見報道.本研究首次對九龍江口CDOM的三維熒光光譜進行PARAFAC分析,鑒別和分析其熒光組分的類型和性質及其河口混合行為,同時結合吸收光譜分析手段,探討CDOM光學性質與化學需氧量(COD)、生物需氧量(BOD5)等傳統(tǒng)有機污染指標的關系,以期為今后開展河口近海有機污染監(jiān)測提供一種新的技術手段.1材料和方法1.1水樣的采集和處理樣品采集分兩階段進行:2009年5月21日在九龍江河口區(qū)設置13個站位(圖1),每個站取表、底層水樣;2009年3月16日、4月13日以及5月10日在雞嶼南側4號浮標處設置定點站(圖1),每次從09:00~14:00,每隔1h或0.5h取表層水樣.水樣均用Niskin采水器采集,CDOM水樣帶回實驗室后,立即用孔徑為0.2um的聚碳酸酯濾膜過濾,收集濾液于60mL棕色玻璃瓶中,當天進行三維熒光光譜和吸收光譜的測定.同步采集COD樣品,而BOD5樣品只在4月13日和5月21日采集.1.2樣品測定1.2.1熒光掃描和校正采用CaryEclipse熒光分光光度計(美國,Varian)進行三維熒光光譜測定,配以1cm石英比色皿.以Mill-Q水為空白,進行熒光掃描.掃描速度:1920nm/min,激發(fā)和發(fā)射單色儀的狹縫寬度分別為10nm和5nm,掃描光譜進行儀器自動校正.激發(fā)波長(Ex)范圍從220~450nm,增量5nm;發(fā)射波長(Em)范圍從230~600nm,增量2nm.1.2.2cdom的相對分子質量測定采用UV-2300紫外-可見分光光度計進行測定,以Mill-Q水為空白,用10cm石英比色皿在240~800nm范圍內進行光吸收測定,測量精度為±0.001.CDOM的光吸收系數(shù)a(λ)采用非線性回歸方法進行計算,以280nm處的吸收系數(shù)a(280)表示CDOM的相對濃度,以275~295nm與350~400nm之間的光譜斜率比值SR表示CDOM的相對分子質量大小.1.2.3cod和bod5的測量COD、BOD5等參數(shù)根據(jù)海洋監(jiān)測規(guī)范GB17378.4-2007進行測定.1.3熒光組分特征利用MATLAB軟件,采用最新的PARAFAC手段對CDOM的三維熒光光譜進行模擬,以識別九龍江口CDOM的熒光組分特征.利用將數(shù)據(jù)庫隨機等分為2個子數(shù)據(jù)庫的方法(split-halfanalysis)來驗證分析結果的可靠性,其原理是如果選擇的熒光組分數(shù)是合理的,則利用2個子數(shù)據(jù)庫得到的模擬結果是一致的.熒光強度以Raman單位(RU)表示,即激發(fā)波長為350nm時水的Raman峰的積分強度.2結果與分析2.1類組成成分c、400/482nm利用PARAFAC對2009年3~5月九龍江口46個CDOM樣的三維熒光光譜(EEMs)進行模擬,共識別出4個熒光組分(圖2),包括3個類腐殖質(humic-like)及1個類蛋白質(protein-like)組分,所有組分都具有單一的發(fā)射峰,但都有2或3個激發(fā)峰.這些組分的光譜特征與文獻中利用PARAFAC鑒別的熒光組分相似,各組分的最大激發(fā)/發(fā)射波長、性質描述及與文獻結果的對比見表1.組分C1(240,310/382nm)、C2(230,250,340/422nm)、C4(260,390/482nm)屬于類腐殖質熒光組分.C1(240,310/382nm)主要反映了短波類腐殖質的熒光性質,其中240/382nm峰位于傳統(tǒng)的A峰區(qū)域,而310/382nm峰對應于傳統(tǒng)的M峰,被認為代表了海洋來源的腐殖質組分;C2(230,250,340/422nm)的發(fā)射峰波長較C1長,其中230,250/422nm雙峰也位于傳統(tǒng)的A峰區(qū)域,而340/422nm峰對應于傳統(tǒng)的C峰,被認為代表了陸地來源的腐殖質組分,但其發(fā)射波長相對于通常報道的C峰有些藍移.C4(260,390/482nm)反映了長波類腐殖質的熒光特性,其中260/482nm峰也位于傳統(tǒng)的A峰區(qū)域,而390/482nm峰與傳統(tǒng)C峰相比其激發(fā)和發(fā)射波長都更長一些且其激發(fā)波長范圍較廣,這反映其結構中高分子量和高芳香度基團的存在.Coble等過去未定義此組分,過去在九龍江口利用傳統(tǒng)的尋峰法開展的CDOM研究中,也未發(fā)現(xiàn)該組分的存在,但它與Stedmon等在丹麥河口識別出的組分2(<250,385/504nm)很相似,也與Cory等報道的陸地還原性醌類(SQ1)近似,此外,日本Ise灣也報道了同類組分(275,390/479nm).組分C3(225,275/342nm)為典型的類蛋白質熒光組分,其激發(fā)/發(fā)射波長與色氨酸單體的熒光峰(220~230,270~280/340~350nm)一致,說明C2主要為類色氨酸基團,其中225/342nm和275/342nm分別對應于傳統(tǒng)的R峰和T峰.該組分在文獻中已有廣泛報道.本研究中未觀測到類蛋白質的另一個組分類酪氨酸(225,275/300nm)基團的存在.2.2鹽度對構化過程中熒光組分的影響在九龍江河口區(qū),4個熒光組分隨鹽度增加總體上呈現(xiàn)不斷稀釋的過程,但它們的河口行為不盡相同.類腐殖質組分C1和C2在鹽度<6時其濃度基本不變,鹽度>6后都呈保守混合行為[圖3(a)和3(b)],而另一個類腐殖質組分C4則在整個鹽度范圍內都呈保守行為[圖3(d)].類蛋白質組分C3則明顯表現(xiàn)出不同于3個類腐殖質熒光組分的行為[圖3(c)],鹽度25以內其濃度變化不大,并在鹽度6和24處出現(xiàn)峰值,之后到鹽度30則迅速下降,如以河海2個端員的C3組分濃度作一條理論稀釋線,則可看出C3在九龍江口有明顯的添加.其他河口也觀測到該組分相似的非保守行為,類蛋白質組分在Ise灣的低鹽度區(qū)較高并隨鹽度梯度而升高,到中鹽度區(qū)(鹽度<20)達到最高,之后隨鹽度迅速下降.此外,作為西溪最下游站位的A1站,其表、底層水樣的4個熒光組分的濃度都比其他零鹽度站位要高,特別是C1、C2、C3更為明顯,表明輸入河口區(qū)的西溪的類腐殖質和類蛋白質熒光強度都比另一條支流北溪要高.2.3質組分之間的相關性圖4(a)給出了吸收系數(shù)a(280)在河口區(qū)隨鹽度的變化.從圖4(a)可見,a(280)的河口行為與類腐殖質組分C1、C2很相似,都是在鹽度<6之前濃度不變,之后則呈保守行為.相關性分析表明,a(280)與3個類腐殖質組分C1、C2、C4之間均存在很顯著的線性正相關關系,相關系數(shù)r都大于0.96;而與類蛋白質組分之間則不存在類似的線性相關關系.CDOM的吸收性質是由發(fā)色團產生,而熒光性質是由熒光團產生,上述關系表明CDOM的類腐殖質熒光團與其發(fā)色團之間在結構上有很密切的內在聯(lián)系,而類蛋白質熒光團則不是CDOM發(fā)色團的主要成分.光譜斜率系數(shù)比值SR是反映CDOM相對分子質量大小的一個指標,該值越大.從圖4(b)可見,隨鹽度增加,SR總體上呈增加趨勢,尤其在鹽度20以后更為明顯.這表明,河口區(qū)存在2種不同相對分子質量的CDOM,陸源輸入的河水CDOM平均分子質量較低,而海洋自生來源的CDOM平均分子質量較大,與過去在九龍江口以及世界其他河口區(qū)的研究結果一致.3討論3.1短腐殖質峰和海洋腐殖質m峰3.1.1cdom的熒光組分從圖2及表1不難看出,傳統(tǒng)尋峰法指認的A峰區(qū)域(240~290/380~480nm)實際上并非一個單獨的熒光峰,而是若干熒光組分的組合,Murphy等報道在A峰區(qū)域存在5個熒光組分,而本研究在九龍江口CDOM的A峰區(qū)域發(fā)現(xiàn)有3個熒光組分.事實上,如果檢視文獻中報道的CDOM的三維熒光光譜圖,便很容易發(fā)現(xiàn)很多樣品的A峰區(qū)域的等值線比較復雜,要找出一個峰值并不容易,不同研究者的A峰位置指認存在很大的隨意性,相互之間的可比性很差.另一方面,A峰區(qū)域與傳統(tǒng)尋峰法指認的C峰、M峰是有密切聯(lián)系的(圖2和表1),只是由于傳統(tǒng)方法無法識別出A峰區(qū)域的各個熒光組分,而沒有發(fā)現(xiàn)這種內在聯(lián)系.從PARAFAC得出的這些結果來看,傳統(tǒng)上利用A峰與其他峰之間的比值(如A∶C峰等)來進行討論可能存在一些問題,討論各個熒光組分之間的比值更為合適.3.1.2cdom熒光組分的特定來源屬性Coble等最初將C峰指認為陸地來源的熒光峰,而M峰為海洋來源的熒光峰,其依據(jù)是典型的陸地淡水CDOM的三維熒光譜圖中C峰特別顯著,而到海水中該峰藍移到M峰的位置.但從本研究中不難看出,在九龍江口低鹽度區(qū),包含M峰的熒光組分C1的強度反而高于包含C峰的熒光組分C2的強度,C1與C2的比值達1.7~2.2,這表明M峰實際上不能被認為是海洋來源的專有特征峰,它在陸地淡水CDOM中也存在,并且還可能是從陸地輸入到海洋中的CDOM熒光物質的主要組分.另一方面,Murphy等也在太平洋的遠洋海水CDOM樣品中發(fā)現(xiàn)了包含C峰的熒光組分的存在.因此關于M、C峰具有特定來源屬性的認識有必要修正,它們更多是反映了結構性質不同的2種熒光團.顯而易見,相對傳統(tǒng)的尋峰法,PARAFAC可以更好地揭示CDOM這一結構和組成都比較復雜的有機物質的熒光組分特征.3.2類蛋白質熒光組分根據(jù)4個熒光組分的河口行為、各自在總熒光組分中所占的百分比以及它們與吸收系數(shù)a(280)之間的關系,可將其分為以下3種類型.類型1包括類腐殖質組分C1和C2,這2個熒光組分在鹽度<6時強度未隨鹽度增加而減少,表現(xiàn)出一定的添加行為,之后在河口混合過程中呈保守行為,但在總熒光組分中所占比例在高鹽度區(qū)呈下降趨勢[圖5(a)和5(b)],與a(280)相關性很好.低鹽度區(qū)的添加表明存在除陸源輸入以外的其他來源.該區(qū)域水深較淺,是九龍江口的最大混濁帶,潮汐作用引起強烈的底質再懸浮作用,而沉積物間隙水中高濃度的類腐殖質熒光組分也一起釋放出來.Yamashita等研究發(fā)現(xiàn),與C2同樣的組分在日本Ise灣中高鹽度區(qū)表現(xiàn)出與九龍江口一致的保守行為,但與C1相同的組分卻存在添加行為,并認為原因是河口區(qū)微生物來源DOM的轉化或生物活動直接輸入的貢獻,這顯示了不同河口之間控制熒光組分行為的因素的復雜性.類型2包括類腐殖質熒光組分C4,它在整個河口混合過程中都呈保守行為,且在總熒光組分中所占比例保持不變[圖5(d)],與a(280)相關性也較好.C4在低鹽區(qū)未出現(xiàn)類似C1、C2的添加行為,表明它主要來源于陸源河流的輸入,這與Stedmon等認為該組分是來源于土壤的腐殖質的觀點是一致的.類型3指類蛋白質熒光組分C3,它在河口混合過程中呈不保守行為,與a(280)無直接相關關系,并且在總熒光組分中所占比例在鹽度>15后呈上升趨勢,從<40%上升到50%以上[圖5(c)],反映出河口區(qū)隨鹽度增加,CDOM熒光組分從以類腐殖質為主轉變?yōu)橐灶惖鞍踪|組分為主,這與過去用熒光積分法在九龍江口及Kowalczuk等在南大西洋灣、波羅的海的觀測結果一致.類蛋白質組分在九龍江口的不保守行為可能與以下因素有關:一是最大渾濁帶的再懸浮作用,類蛋白質組分也是沉積物間隙水的重要熒光組分[26~28],二是陸地輸入的浮游植物衰敗降解的貢獻,顯微鏡下的觀測表明,A3~A4站之間的淡水區(qū)浮游植物主要為河流攜帶輸入的陸生種類,這些種類隨著河口區(qū)鹽度的升高因不適應鹽度的變化而衰敗死亡,可降解釋放出類蛋白質組分;三是中鹽度區(qū)浮游植物生長的貢獻,該區(qū)域的浮游植物已經都是硅藻等咸水種,這導致鹽度24左右出現(xiàn)類蛋白質組分的一個小峰值,日本Ise灣情況也是如此,浮游植物的生長導致中鹽度出現(xiàn)類蛋白質熒光的峰值.3.3熒光組分與北溪水系的關聯(lián)九龍江主要有北溪和西溪兩條支流輸入到河口區(qū),此外在河口南岸還有一條較小的南溪注入.北溪流域面積9803km2,年平均徑流量82.30億m3,約占整個流域的70%;西溪流域面積3964km2,年均徑流量36.8億m3,約占整個流域的30%.從圖1可見,A1為西溪下游站位,而A3站位為西溪與北溪匯流處.A1站位表、底層的吸收系數(shù)a(280)、熒光組分C1、C2、C3都明顯高于北溪河水占優(yōu)勢的A3、A4等0鹽度站位,C4也略高一些,它們的濃度都在整個河口區(qū)的理論稀釋線之上,表明從西溪輸入到河口區(qū)的CDOM熒光組分特征不同于北溪.此外,受南溪水注入影響,南溪與河口區(qū)交匯的A6站位熒光組分也略高,這些都表明.利用EEM-PARAFAC可以對輸入河口區(qū)的不同支流DOM的性質進行有效地示蹤和區(qū)分.輸入河口區(qū)的西溪河水中類腐殖質與類蛋白質熒光組分的濃度雖然都高于北溪,但其控制因素卻有所不同.與北溪相比,西溪所處的緯度更低一些,氣候等對流域土壤沖刷作用的影響會更強,此外,西溪流域以平原為主,農業(yè)生產更為發(fā)達,農業(yè)活動對土地的利用,特別是近年來對山地丘陵坡地的開發(fā)引起的水土流失,導致土壤中的腐殖質類物質更容易被沖刷出來.這些因素都會導致西溪河水中類腐殖質熒光組分的含量高于北溪.另一方面,西溪下游流經人口多、工業(yè)發(fā)達的漳州市區(qū),市區(qū)工業(yè)及生活污水的輸入導致西溪下游河水中有機污染物含量升高,自然也引起可指示河流有機污染程度的類蛋白質組分C3含量的升高.3.4cdom的光性參數(shù)CDOM的熒光與吸收參數(shù)與COD、BOD5之間的相關性研究已有不少報道[19,20,21,29,30,31],但還未見到利用EEMs-PARAFAC進行海水熒光組分識別,再探討其與傳統(tǒng)有機污染指標的關系的研究.考慮到海水樣品的采集與快速分析較陸地樣品更為困難,這種關系的探討更有實際意義.本研究分析了2009年3~5月在九龍江口及雞嶼南生態(tài)浮標定點站位采集的46個COD樣、27個BOD5樣與CDOM的各熒光組分及吸收系數(shù)a(280)之間的相關關系(表2),發(fā)現(xiàn)類腐殖質熒光組分C1、C2、C4與COD之間都具有較好的相關關系,而類蛋白質組分C3與COD的相關性較差,此外,吸收系數(shù)a(280)與COD的相關性也較好,因此類腐殖質熒光組分及a(280)都可作為表征河口區(qū)COD濃度高低的指標.各熒光組分及a(280)與BOD5之間的相關性總體上不及COD,其中C2及a(280)與BOD5之間的相關性最顯著,C1和C4次之,C3最低.因為BOD主要反映水體中可降解有機物的含量,而河口區(qū)DOM中陸源輸入的生物難降解的腐殖質是其主要成分,所以CDOM的光性參數(shù)與COD的相關性好于BOD是不難理解的.一般認為水體中的類蛋白質組分與浮游植物或微生物的活動有關,因此通常它們與BOD5的相關性會比較好,如污水中的情況就是如此.但九龍江口類色氨酸組分C3與BOD5的相關性卻較差,這可能與水體中的顆粒有機物有關.BOD5反映的是水體中包括顆粒有機物在內的總有機物中能夠被好氧微生物氧化分解掉的有機物的含量,而類蛋白質組分只反映溶解態(tài)有機物中與生物活動有關的那部分有機物的含量,顆粒有機物中可降解部分的含量變化將影響類蛋白質組分與