2016年8月在藻华暴发前后分别在海河干流三岔口采集水体样品, 样品采集时间间隔为2 d。 藻华暴发前对水体进行了连续7天的监测, 监测结果显示水体质量以及DOM性状等未发生明显变化, 认为水体质量较为稳定, 未受到其他污染源的影响。 而在藻华爆发前后期间无降雨、 调水等突发情况。 采集水下15 cm处水样, 样品采集后分析水体中藻密度, 其中藻密度低于80细胞· mL^-1认为是未暴发藻华, 藻密度高于10⁸细胞· mL^-1则认为水体暴发藻华, 满足上述条件的水体认为是符合实验要求。 样品每次采集2个平行样, 现场测试分析样品基本理化性质。 样品采集后装入5 L的玻璃瓶中, 放在0~4 ℃冰箱中带回实验室分析。 在实验室中, 所有样品先通过0.45 μ m的滤膜备用。

过滤后的水样先分析原水样DOM的基本性质, 主要包括分析测试其总有机碳(TOC)、 总氮(totel nitrogen, TN)、 总磷(TP)、 氨氮(N H4+-N)、 硝酸盐氮(N O3--N)和磷酸盐(P O43--P), 紫外全波长扫描和三维荧光光谱等。 其中TOC分析测试采用德国elementar生产的vario TOC分析仪进行测试, 紫外全波长扫描采用日本岛津UV-2600紫外可见分光光度计进行测试; 三维荧光测试分析采用英国Edinburgh生产的FS5三维荧光光谱仪进行测试, 光源为150 W无臭氧氙灯, 激发波长为λ _Ex=200~500 nm, 发射波长为λ _Em=250~600 nm, 狭缝宽度5 nm, 停留时间0.2 s, 扫描速度(激发/发射)为100 nm· s^-1。 其他的理化指标分析采用《水和废水监测分析方法》(第四版)中的相关检测方法。 有机氮(TON)则是用TN含量减去NH₃-N和N O3--N获得, 而有机磷(TOP)则是用TP含量减去P O43--P含量获得。 在后文计算DOM的C/N比值以及N/P比值时, 都使用的是TOC, TON和TOP。

水样分子量大小的分离采用连续超滤方式。 超滤器为美国Millipore公司生产的Amicon 8200型超滤杯, 有效容积为180 mL, 有效膜面积28.7 cm², 最大承受压力为0.53 MPa, 内装磁力搅拌装置, 压力驱动为高纯氮气。 超滤膜采用美国Millipore公司生产的YM系列超滤膜, 膜材质为改性醋酸纤维素, 滤膜允许通过的分子量大小分别为30, 10, 5, 3, 1和0.5 kD。 实验开始时, 先放入大分子量滤膜, 然后在超滤杯中加入140 mL的DOM溶液进行分离, 流速控制在5 mL· min^-1, 待杯中溶液剩余20 mL后停止分离, 将杯中溶液收集为分子量大于30 kD的DOM溶液, 将过滤后的溶液再进行下一级分离。 通过连续分离后, 可以将DOM溶液分离为7个分子量系列, 每次过滤时, 截留的DOM溶液为原溶液的1/7。

所有实验仪器在用前都用去离子水润洗三遍, 整个实验进行两次系列重复的操作, 每个样品的指标都分析测试两次, 因此每个样品可获得四个原始数据进行统计学分析。 所有样品在测试分析的时候, 都加入标准样品进行质量控制, 样品的加标回收率在87%~119%之间。 数据处理采用SPSS.13.0, 图形制作采用Origin 8.1。

表1列出了海河干流藻华暴发前后水体中关键指标的变化情况。 表1中数据显示, 藻华暴发之后, 水体TOC的含量有所增加, 从26.47 mg· L^-1增加到38.20 mg· L^-1, 与此同时, 水体中的TN, N H4+-N和TON的含量也发生了较大变化, 分别增加了3.1倍、 2.5倍和4.2倍, 但是TP和N O3--N的含量保持稳定。 藻华暴发过程中, 藻类利用水体中的无机营养盐来合成自身物质, 是一个无机物向有机物转变的过程, 因此势必会增加水体中TOC和TON的含量。 除此之外水体中C/N比值和N/P比值也发生了较大变化, C/N比值从18.51降低到6.39, N/P比值则从5.69增加到20.10, 这是由于藻类在生长过程中吸收了水体中的氮和磷用来合成自身物质, 由于氮的来源较广, 因此可以得到及时的补充, 而磷的来源相对较少, 因此藻华暴发表现出一个逐步向磷限制转变的过程。 C/N比值常用来示踪水体有机质的来源, 一般认为C/N比是蛋白质含量的指示剂, 蛋白质是生物体中最重要的含氮成分, 不同类型的有机质中所含的蛋白质是不同的^[8], 所以, 利用C/N比可以区分不同类型的有机质, 分析研究区内有机质的来源。 一般研究认为C/N比大于12, 代表高等水生植物或者陆源有机质, 小于8则代表湖泊或海洋自身的藻类等内源有机质^[9]。 因此, 从表1可以看出, 藻华暴发前后水体中DOM的来源从陆源为主转变为内源为主。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 海河干流藻华暴发前后水体理化性质变化情况 Table 1 Changes of physical and chemical properties of water in the main stream of Haihe River before and after algae bloom Index TOC TN TP N O3--N N H4+-N TON C/N N/P (mg· L-1) Before 26.47 2.73 0.48 0.53 0.77 1.43 18.51 5.69 After 38.20 8.44 0.42 0.51 1.95 5.98 6.39 20.10

表1 海河干流藻华暴发前后水体理化性质变化情况 Table 1 Changes of physical and chemical properties of water in the main stream of Haihe River before and after algae bloom

藻华水华暴发过程中, 会分泌藻液等有机质, 势必会改变水体中DOM的性状。 图1为海河干流水体藻华暴发前后DOM的三维荧光光谱图谱。 藻华暴发前水体中DOM的成份组成较为复杂, 主要有5个特征峰, 分别为A峰: λ _Ex/λ _Em=280 nm/350 nm; B峰: λ _Ex/λ _Em=460 nm/560 nm; C峰: λ _Ex/λ _Em=300 nm/470 nm; D峰: λ _Ex/λ _Em=250 nm/470 nm; E峰: λ _Ex/λ _Em=210 nm/510 nm。 而在藻华暴发之后, 水体中DOM的中心峰只有2个, 分别为A峰: λ _Ex/λ _Em=250 nm/450 nm; B峰: λ _Ex/λ _Em=365 nm/450 nm。 从DOM三维荧光图谱中可以看到, 藻华暴发过程中是一个有机质从复杂源向单一源转变的过程。 由于海河干流是穿城而过的城市河道, 在自然状态下, 其有机质的来源较为复杂, 也使得水体中三维荧光光谱的特征峰较多, 这种多元特征峰的在一些工业废水DOM中较为常见^[10], 此外城市污染河流中DOM的荧光峰特征也较为复杂^[11], 这与天然水体中DOM的三维荧光光谱存在差异性, 天然水体DOM存在两个典型的腐殖酸峰和两个典型的类蛋白峰^[3]。 但是在藻华暴发的过程中, 由于自身产生的内源有机质占据了主导地位, 可能利用了部分的简单有机质用来合成自身物质, 最终导致了水体DOM性状的单一化, DOM的三维荧光特征峰减少, 最终表现出一个腐殖酸峰和一个类蛋白峰, 与天然水体中DOM的特征峰接近。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 藻华暴发过程中DOM的三维荧光光谱变化特性 (a): 暴发前; (b): 暴发后Fig.1 The three-dimensional fluorescence spectra of DOM in the main stream of Haihe Riverbefore and after algae bloom (a): Before algae bloom; (b): After algaebloom

从藻华暴发前后DOM的三维荧光谱图变化特征可以看出, DOM的性状发生了较大变化。 为了更进一步研究DOM的这种特征变化, 图2列出了不同分子量大小的DOM的含量。 从图2中可以看出, 随着分子量的增大, 藻华暴发前后TOC的含量都出现了减小趋势, 这也意味着水体中DOM的构成大部分以小分子量为主。 其中分子量小于1 kD的DOM在藻华暴发前后分别占到总DOM的38.68%和44.35%, 而分子量小于10 kD的DOM在藻华暴发前后则分别占到总DOM的81.89%和88.42%, 数据显示即使藻华暴发后, 这种DOM以小分子为主的构成结构没有发生变化(表2)。 海河干流水体中DOM的分子量分布与天然水体中DOM的分子量存在一定差异性, 如太湖以草型湖泊为主的南部水体中DOM分子量以高于10 kD为主, 然而以藻型湖泊为主的北部水体中DOM分子量以低于3 500 D为主^[12]。

图2

Fig.2

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	图2 海河干流藻华暴发前后不同分子量大小的DOM含量特征Fig.2 Characteristics of DOM content with different molecular weight in the main stream of Haihe River before and after algae bloom

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同分子量大小的DOM占总的DOM的比例(%) Table 2 The percentage of DOM with different molecular weight (%) molecular weight/kD > 30 10~30 5~10 3~5 1~3 0.5~1 < 0.5 TOC Before 7.40 10.73 11.02 14.28 17.91 17.90 20.78 After 4.36 7.23 10.99 15.64 17.44 21.42 22.93 TON Before 14.37 16.82 11.89 12.45 15.77 13.54 14.93 After 16.64 17.95 15.43 12.13 12.00 12.56 13.25

表2 不同分子量大小的DOM占总的DOM的比例(%) Table 2 The percentage of DOM with different molecular weight (%)

与TOC不同的是, TON的含量在各分子量之间的差别较小, 藻华暴发前, 不同分子量大小的DON占总DON的比例介于11.89%到16.82%之间, 而在藻华暴发之后, 各个分子量DON的比例仍然维持在12.00%到17.95%之间, 而且藻华暴发前后, TON的比例在不同分子量之间没有显著变化。

海河干流藻华暴发前后不仅导致水体中不同分子量的DOM含量发生了变化, 也使得不同分子量大小DOM的成份组成发生了变化。 图3显示了藻华暴发前后水体中不同分子量大小的单位质量DOM中各三维荧光中心峰位置的强度特征。 从图3中可以看出, 随着分子量的增大, 各荧光峰的强度都出现了增大趋势, 这说明DOM中的发光物质主要以大分子的物质为主。 尽管DOM的峰强随分子量的增大而增大, 但是藻华暴发前后, 这种增加的趋势有所不同。 藻华暴发前, DOM分子量大小在0~10 kD范围的DOM荧光峰强度相对较低, 其峰强在1 000~3 000之间, 而分子量大于3 000 kD的DOM荧光强度介于3 000~6 000之间。 藻华暴发之后, 分子量大小在0~5 kD范围内的DOM的荧光峰强度较低, 其强度介于1 000~2 000之间, 而分子量大于5 kD的DOM, 其强度介于3 000~9 000之间。

图3

Fig.3

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	图3 藻华暴发前后不同分子量大小DOM中各三维荧光中心峰强度特征 (a): 暴发前; (b): 暴发后Fig.3 The different peak intensity of three-dimensional fluorescence of DOM with different molecular weight before and after algae bloom (a): Before; (b): After

三维荧光可以反映DOM的组分特征, 而一些特定紫外波段范围内有机质吸收光谱则可以反映DOM变化的一些细节问题。 图4列出了单位质量不同分子量大小单位质量DOM在254 nm波长下的吸光度(A₂₅₄)的变化特征。 结果显示A₂₅₄随着分子量的减小而降低。 有研究认为, 有机物在254nm下的紫外吸收主要代表包括芳香族化合物在内的具有不饱和碳碳键的化合物, 相同DOM浓度的有机质在该波长下吸光值的增加意味着非腐殖质向腐殖质的转化^[7]。 而随着分子量的减小, 其中有机质更多的是一些简单的小分子物质, 因此A₂₅₄不断降低。 A₂₈₀通常与有机质的分子量成正相关关系, 分子量越大, DOM在280 nm处的吸收值越大^[7]。 一般而言, 随着腐殖质物质腐殖化程度的加大或芳香烃结构的增多, 其分子量也相应增加, 所以A₂₅₄和A₂₈₀一般具有相同的变化趋势。 A₂₅₄和A₂₈₀的变化都说明了分子量大的有机质, 腐殖化程度也较高, 其中含有的芳香烃结构等都较为复杂, 因此分子量大的有机质也一般都是难降解的有机质。 但是二者也存在一定的差异, 其中藻华暴发前, A₂₈₀的波动比A₂₅₄的波动更显著一些。 这可能是由于藻华暴发前, 水体中的DOM污染物成分较为复杂, 不同类型污染物的不饱和碳碳键的化合物类型和分子量大小的改变并不同步。 例如, 一些工业废水中含有的简单苯环类化合物具有很高的不饱和碳碳键结构, 但是其分子量却不一定很大。

图4

Fig.4

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	图4 不同分子量大小DOM的紫外光谱A254和A280变化特征 (a): 254 nm; (b): 280 nmFig.4 The change of UV spectra of A254 and A280 of DOM with diffesent molecular weight before and after algae bloom (a): 254 nm; (b): 280 nm

除了DOM的成分发生了变化外, 不同分子量大小DOM的元素组成也发生了变化。 图5列出了不同分子量DOM的C/N比值变化情况。 藻华暴发前后, 水体中DOM的C/N比值都是随着分子量减小而增大。 藻华暴发前, 水体中分子量大于30 kD的DOM的C/N比值小于10, 而分子量小于0.5 kD的DOM的C/N比值则达到了24.6。 藻华暴发之后, 水体中DOM的C/N比值总体上都有所降低, 其中分子量大于30 kD的DOM的C/N比值仅为1.8, 而分子量小于0.5 kD的DOM的C/N比值也仅仅为12.2。 从图5不同分子量C/N比值情况结合不同分子量的光谱学特征, 可以推测小分子的DOM主要以简单的单链有机质为主, 而大分子的DOM则更多的是分子结构复杂的类蛋白物质等。

图5

Fig.5

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	图5 不同分子量大小DOM的C/N(a)和N/P(b)比值变化特征Fig.5 The change of C/N (a) and N/P (b) of DOM with different molecular weight before and after algae bloom

C/N比值通常用来反映水体中DOM的来源, 而N/P则说明水体中营养盐的比例关系。 藻华暴发之前, 水体中DOM中N/P比值维持在6左右, 不同分子量之间没有显著性差异, 而在藻华暴发之后, 水体中不同分子量DOM的N/P比值发生了较大的变化。 藻华暴发之后, 水体中DOM的N/P比值出现了较大升高, DOM的分子量越大, N/P比值越高, 其中分子量大于30 kD的DOM中N/P比值达到了27.5, 而分子量小于500D的DOM的N/P比值也升高到12.5。 不同分子量大小N/P比值说明在藻华暴发过程中, 水体中的溶解性磷更多的倾向于合成小分子量的DOM, 而对于大分子量的DOM来说, 磷对其的限制作用更加明显。

藻类暴发所产生的DOM由于与天然DOM存在一定的差异性, 因此其对水体中元素的循环也产生了一定的影响。 从上述研究中可以看出, 藻华暴发过程中, DOM的元素组成、 含量组成和分子量大小都发生了显著的变化。 其中最为明显的特征就是水体中DOM的种类减少, C/N比值降低。 藻华暴发过程中, DOM从相对较为复杂的种类逐渐转变为两大类有机质, 其中一类为腐殖质, 另外一类成为了与生物降解密切相关的类蛋白物质, 而这一部分物质则是相对较为容易降解的物种。 Zhang等^[7]利用三维荧光光谱学技术研究了太湖DOM在不同光照条件下的降解特性, 发现藻类暴发所产生的类蛋白组份降解最快, 尤其是在实验刚开始的0~72 h内, 而腐殖酸物质降解相对较慢。 类蛋白物种的降解, 最终使得所合成的有机物物质和有机磷物质仍然变为可溶性的无机盐, 成为了水体中营养盐的内源贡献者, 尤其是当藻类暴发死亡后, 变成悬浮颗粒物最终进入河底沉积物, 在其降解过程中容易使得水体发黑发臭。 而Yao等研究证实, DOM中的有机氮组分被认为是太湖富营养化的一个重要贡献者^[13], DOM在降解的过程中, 有机氮组分最终将降解为氨氮等无机物, 增加了湖泊的营养盐载荷, 当外源输入得到有效控制的时候, 这种内源贡献的作用将更加明显。