蘑菇湖水库(85° 59'12″E— 86° 08'13″E, 44° 15'43″N— 44° 19'13″N)位于新疆石河子市玛纳斯河畔西岸自然洼地, 是一座大(Ⅱ )型引水注入式平原水库。 根据蘑菇湖进出水口位置、 水库面积和形状, 分别在滨湖区(1, 2, 3)、 浅湖区(4, 5, 6)以及深湖区(7, 8)设置8个采样点位(图1)。 分别在8个采样点位水下50 cm处, 使用Van Dom(2.5 L)采集3个水样, 完全混合在等量容器内。 将混合后的水样取适量装入避光聚乙烯水瓶中, 4 ℃下冷藏, 运回实验室后立即进行光谱检测。

图1

Fig.1

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	图1 蘑菇湖采样点分布图Fig.1 Locations of sampling sites in Moguhu Lake

将采集到的水样进行抽滤(0.45 μ m孔径的醋酸纤维滤膜), 得到含有DOM的溶液, 其余置于冰箱内4 ℃下避光保存待用。 利用荧光分光光度计(日立F7000)进行光谱扫描, 参数设置依照GUO的研究^[6]。 分光光度计根据仪器的拉曼信号进行仪器自动校准, 并以奎宁硫酸盐单位标准化^{[7, 8]}。 为消除荧光检测中光谱受到瑞利散射和拉曼散射的影响, 分别采用手动数据置零、 减去超纯水(Milli-Q)荧光数据的方法进行校正^[8]。

Herná ndez-Sá nchez等将沿着激发波长的强度之和形成的发射光谱用于快速检测光照下特级橄榄油的演变, Guo等基于Herná ndez-Sá nchez的研究把沿着激发波长的强度之和形成的发射光谱定义为AFEs^{[6, 7]}。 图2为6#采样点上覆水DOM的3DEEM[图2(a)]以及AFEs[图2(b)]。

图2

Fig.2

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	图2 6#DOM三维荧光光谱(a)及AFEs(b)Fig.2 3D-EEM spectra (a) and AFE spectra (b) of DOM in 6#

1.4.1 二阶导数

因为导数信号的幅度与原始频谱的带宽成反比, 因此二阶导数光谱可以放大窄带且避免宽带^[6]。 AFEs经过二阶导数处理后, 其光峰变为光谷, 光谷变为光峰, 因此将二阶导数光谱的荧光强度乘负1进行归一化处理^[6]。 本研究借助Origin软件实现8个水样的二阶导数AFEs, 并进行光谱平滑以消除噪声及提高分辨率。

1.4.2 统计分析

利用PCA对蘑菇湖水体8个水样的AFEs数据进行分析, 基于光谱载荷值进行关键因子识别, 并根据水样的不同载荷值追踪DOM的变化^[9]。 使用离差平方法 (Word方法)对荧光峰积分面积进行变量聚类和样本聚类, 以欧式距离(Euclidean distance)确定不同点位荧光峰之间的差异性或相似性。

根据图2(a)中3DEEM(a), 可以得出5类荧光峰。 Peak T₁(Ex/Em=210~230/290~325 nm)为类蛋白中的类酪氨酸荧光峰, Peak T₂(Ex/Em=215~240/325~370 nm)为类蛋白中类色氨酸峰, Peak T₃(Ex/Em=250~290/325~370 nm)有文献将其定义为长波处类色氨酸峰, 亦属于类蛋白峰^{[10, 11]}, 主要来源于微生物代谢产生的类蛋白、 浮游植物等残体分解^[12]; Peak M(Ex/Em=310~330/390~410 nm)为陆源类腐殖酸峰, 亦通常指示来自农业或废水排放的结构复杂且稳定的有机物, 这类有机物不易被微生物分解, 且因为其相对分子质量较大, 易在光谱中产生红移^{[13, 14]}; Peak C(Ex/Em=340~360/430~450 nm)为可见光区类富里酸峰^[15], 这类富里酸相对分子质量较小、 荧光效率较高, Peak A(Ex/Em=240~260/430~450 nm)紫外光区类富里酸峰, 这类富里酸相对分子质量较大、 有机质组成较为稳定, 两者均与DOM中的羰基、 羧基官能团的存在有关, 用来指示外源输入^{[10, 15]}; Peak H(Ex/Em=370~390/480~550 nm)为类腐殖酸峰, 较为稳定, 不易被微生物降解和利用^[16]。

沿着发射波长270~550 nm对其荧光强度进行积累, 得到AFEs[图2(b)], 其中AFEs的荧光强度与DOM的荧光峰相对应, 且经过Guo等的验证^[6]。 在AFEs中(图3)总共有5个荧光峰, 在325 nm处对应酪氨酸峰, 350 nm处对应色氨酸峰, 400 nm处对应陆源类腐殖酸峰, 430 nm处对应富里酸峰, 在490 nm处对应类腐殖酸峰。 由图2(b)看出, 类蛋白峰(T)包括类酪氨酸峰(Peak T₁)、 类色氨酸峰(Peak T₂)以及长波处类色氨酸峰(Peak T₃), 相较于其他峰, 类蛋白峰的荧光强度最大。 其次为富里酸峰(A)和陆源类腐殖质(M), 而类腐殖酸峰(H)最小。 从不同采样点位来看, 除2^#点位外, 滨湖区(1^#, 3^#)和浅湖区(4^#, 5^#)的类蛋白峰荧光强度略高于深湖区(7^#, 8^#), 而其他的荧光峰强度在各个点位的变化较为稳定, 可能蘑菇湖水体中的DOM主要以相对分子质量较小的、 不稳定易被降解的类蛋白或类富里酸为主。

图3

Fig.3

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	图3 8个采样点的AFE光谱(a)及各荧光峰在各采样点的强度之和(b)Fig.3 AFE spectrum of 8 sampling points (a) and the sum of the intensity of each fluorescent peak at each sampling point (b)

基于8个AFEs进行主成分分析, 得到两个主成分, 解释了原始数据总方差的96.17%。 AFEs的得分图[图4(a)]可以代表每个主成分的光谱波形, 它们可以区分AFEs信号的方差^[9]。 PC1(总方差84.25%)呈现一个高峰(415 nm)和两个弱肩峰(280/325 nm), 其中415 nm处的峰代表可见光区类富里酸峰, 280和325 nm处的峰则分别代表类蛋白峰和类腐殖酸峰; PC2(总方差 11.93%)呈现两个高峰(260/415 nm)和一个弱肩峰(380 nm), 其中260和415 nm处分别代表类蛋白峰和可见光区类富里酸峰, 380 nm处的弱肩峰代表陆源类腐殖酸峰。

图4

Fig.4

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	图4 (a)为8个样点的累积荧光发射光谱主成分分析后PC1和PC2的载荷图, (b)为8个点位的得分图Fig.4 (a) is the load map of PC1 and PC2 after the principal component analysis of the cumulative fluorescence emission spectra of 8 samples, and (b) is the score of 8 points

图4(b)的点位得分矩阵中可以得到四个置信椭圆, 其中, 椭圆A包括2^#和3^#(PC1载荷值> 0.85, 0.2< PC2载荷值< 0.3), 椭圆B包括4^#, 5^#和7^#(0.65< PC1< 0.8, 0.55< PC2< 0.7), 椭圆C包括1^#和8^#(0.4< PC1< 0.5, 0.75< PC2< 0.9), 椭圆D只包括6^#(0.18< PC1< 0.22, PC2> 0.9)。 椭圆之间的距离间接证明了各点位之间DOM中所含物质的差异, 这可能与湖泊接受来水、 采样点位置环境不同造成的, 也可以间接的证明滨湖区、 浅湖区以及深湖区DOM的腐殖化程度及相对分子质量可能存在差异。 基于AFEs的得分图[图4(a)]可以看出, 上覆水DOM中的类蛋白、 富里酸组分的含量是高于腐殖酸和陆源类腐殖质的, 说明上覆水的DOM是以相对分子质量较小的类蛋白和富里酸组分为主, 腐殖化程度较弱。

根据GUO等的研究, 二阶导数AFEs各荧光峰的绝对面积与相关荧光物质的浓度成比例, 且已经验证两者之间存在良好的线性相关, 因此二阶导数AFEs能够用来表征DOM的荧光物质^[6]。 图5(a)为4^#的AFEs, 经过二阶导数变换得到二阶导数AFEs图[图5(b)], 其中AFEs[图5(a)]中的峰被分成五个峰。 图5c是所有样品的AFEs经过二阶导数变换、 归一化处理后得到的二阶导数AFEs。 图5(c)中, 1^#和2^#点位的二阶导数AFEs出现红移, 出现红移可能与DOM中苯环结构及羰基、 羧基等官能团增多, 共轭结构增加有关^[17], 也有可能1^#, 2^#点位DOM的腐殖化程度较高, 相对分子质量较大, 因此在图5(c)中出现红移的现象^[11]。 根据图5(c), 270~324 nm处光谱波段对应酪氨酸峰, 324~360 nm处对应色氨酸峰, 360~420 nm处对应陆源类腐殖酸峰, 420~480 nm处对应富里酸峰, 而480~550 nm处对应腐殖酸峰。

图5

Fig.5

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	图5 (a)为4#的AFE光谱, (b)为4#的二阶导数AFE光谱, (c)为全部样点的二阶导数AFEsFig.5 (a) is the AFE spectrum of 4#, (b) is the second derivative AFEs of 4#, and (c) is the second derivative AFEs of all samples

通过对二阶导数AFEs各荧光峰的面积进行积分, 分别用C1— C5代替酪氨酸、 色氨酸、 陆源类腐殖酸、 富里酸、 腐殖酸荧光峰的积分面积, 并得到图6。 由图6(a)和图6(b)可以看出, 类蛋白(C1+C2)包括类酪氨酸和类色氨酸以及富里酸(C4)所占比例较大(0.67± 0.01), 而陆源类腐殖酸以及腐殖酸所占比例较小(0.39± 0.04), 说明蘑菇湖上覆水DOM是以相对质量较小的有机质为主, 腐殖化程度、 芳香度较小, 这与上文研究结果相同。

图6

Fig.6

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	图6 各个组分的含量(a)及占比分析(b)Fig.6 Contents of each fluorescent component (a) and ratio analysis (b)

对8个采样点的5类荧光峰面积总共40个数据进行数据标准化, 分别对荧光峰面积及采样点进行变量聚类[图7(a)]和样本聚类[图7(b)]。 当欧式距离小于5时, 图7(a)变量聚类中的荧光峰的积分面积被分为3类。 第1类包括C2, C3和C5, 第2类包括C1, 第3类包括C4。 这可能和水体DOM的腐殖化程度有关, 结合2.3节中对各荧光物质含量的分析, 富里酸(C4)的含量在各点位中的贡献较大, 而色氨酸(C2)及腐殖酸(C3, C5)的含量相近, C1含量最少。 当欧式距离小于5时, 图7(b)采样点的样本聚类被分为4类。 第1类包括2^#, 4^#, 5^#和8^#, 第二类包括3^#和7^#, 第3类包括1^#以及第4类包括6^#。 根据采样点的位置(图1), 可以看出DOM中荧光物质在空间上具有差异性, 第1类中除2^#外, 4^#, 5^#和8^#位于采样点中心位置, 第2类中的3^#, 7^#和第3类中的1^#以及第4类中的6^#更靠近湖岸区域, 可能采样点和岸边的距离以及岸边的土地利用方式等也会影响DOM向水体的输入, 也有可能靠近岸边的采样点水体较为稳定的原因。

图7

Fig.7

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	图7 C1— C5荧光峰面积的变量聚类及采样点的样本聚类Fig.7 Variable clustering of C1— C5 fluorescence peak area and sample clustering of sampling points