2019年9月, 从甘肃省庆城县石化老厂区采集水体样品, 该地区地下水按照赋存条件和埋藏特征主要分为河谷潜水和碎屑岩类孔隙裂隙承压水。 河谷潜水含水层主要为第四系砂砾层孔隙潜水, 含水层一般只有0.5~2 m厚, 含水层岩性主要为细砂和砂砾石, 渗透系数在0.1~2.7 m· d^-1之间; 碎屑岩类孔隙裂隙承压水的赋水介质为细砂与中粗砂岩, 含水层厚度大于300 m; 采样点如图1, P1— P9为河谷潜水, 深度为14~16 m, 其中P1在石油污染场地西北方1.1 km处, 为附近居民饮水井, 没有受到石油污染。 C10为碎屑岩类孔隙裂隙承压水, 深度约为100 m。 S11为马莲河河水。 使用棕色玻璃瓶(1 L)采集地下水用于挥发性有机物(VOCs)和石油烃组分分析, 所有样品储存在装有冰袋的避光容器中连夜运送至实验室。 按照《水和废水检测分析方法(第四版)》规定进行采集, 运输, 储存和分析水样, 以尽量减少成分变化。 样品到达实验室后立即进行有机物分析, 随后进行其他参数测定。

图1

Fig.1

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	图1 研究区域及采样点示意图Fig.1 Location of the study area and sampling sites

使用标准方法SL 78— 1994测定电导率; 使用标准方法GB/T 13193— 1991测定总有机碳(TOC); 使用离子色谱仪(ICS-2100)测量Cl^-, NO3-, SO42-, Na⁺, K⁺, Mg²⁺和Ca²⁺; 使用标准方法HJ 535— 2009测定 NH4+。 由实朴检测公司分别使用标准方法HJ 639— 2012和EPA Method 8015D测定VOCs和石油烃C₆-C₉, C₁₀-C₁₄, C₁₅-C₂₈, C₂₉-C₄₀。

UV-Vis采用Evolution 3000分光光度计表征, 以超纯水作为空白, 用1 cm的石英比色皿在200~600 nm波长范围内进行测定, 计算SUVA₂₅₄, A_200~240, A_240~400和A_253/203^[7]; 同步荧光光谱和EEM光谱采用日立F-7000荧光光谱仪进行表征, 同步荧光光谱扫描范围为200~600 nm, Δ λ 为55 nm, 计算S_250~308, S_308~363和S_363~595; EEM光谱的激发波长(Ex)的扫描范围为200~450 nm, 发射波长(Em)的扫描范围为280~550 nm, 扫描速度为2 400 nm· min^-1, 响应时间为0.5 s。 激发和发射光的带通均为5 nm, 以P1样品为空白, 扣除瑞利散射和拉曼散射, 计算β :α , HIX, BIX和FI^[7]。 EEM光谱划分为五个激发-发射区域^[8], 区域Ⅰ (芳香蛋白Ⅰ ): Ex/Em=200~250 nm/300~330 nm; 区域Ⅱ (芳香蛋白Ⅱ ): Ex/Em=200~250 nm/330~380 nm; 区域Ⅲ (富里酸): Ex/Em=200~250 nm/380~550 nm; 区域Ⅳ (微生物副产物): Ex/Em=250~450 nm/280~380 nm; 区域Ⅴ (类腐殖酸): Ex/Em=250~450 nm/380~550 nm, 并进行荧光区域积分(FRI), FRI是基于EEM光谱面积与荧光强度的积分, 获得该区域体积, 对EEM图谱进行了定量分析。 所有样品均在室温下进行测定。

使用数据统计软件SPSS 25.0对光谱参数和水质指标进行相关性和多元线性回归分析, 使用Excel 2019计算光谱参数, 使用Origin 2020进行图表绘制和光谱图区域积分, 使用ArcGIS 10.7绘制采样点分布图。

对研究区水体进行了光谱表征, 可以更快速便捷地获取水体有机物的特征。 图2显示了研究区水体UV-Vis及其参数的计算结果, 可以看出P1和S11在220 nm处有吸收峰, 即硝酸盐吸收峰; P7和P9在233 nm处有吸收峰, 说明该处水体含有大量共轭醛或共轭酮; P5水体在233和283 nm处有吸收峰, 说明该处水体含有大量苯酚类物质。 由于水体中DOM官能团众多且相互之间存在着干扰, UV-Vis并没有表现出很多的吸收峰, 吸光度都随着波长急剧下降。 研究区水体SUV₂₅₄, A_200~240, A_240~400和A_253/203参数表明受污染水体中有机物都表现出老化状态, 即有机物分子结构复杂、 含有大量芳香族化合物且含有大量的羟基、 羰基、 羧基和酯类等取代基, 表明受污染潜水中有机物稳定性强, 降解性差; 由于硝酸盐在220 nm处有吸收峰, 导致P1和S11的A_200~240值较高。

图2

Fig.2

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	图2 污染场地水体UV-Vis(a)及其参数, SUV254(b); A200~240和A240~400 (c); A253/203(d)Fig.2 UV-Vis (a) and its parameters of water in contaminated site, (b) parameters SUV254; (c) A200~240, A240~400; (d) A253/203

同步荧光表征结果与UV-Vis表征结果类似, 如图3, 都表明了石油污染物处在老化状态。 与UV-Vis表征结果不同的是, 同步荧光参数结果表现出受污染潜水中也含有大量低分子量、 结构简单的有机物, 多环芳烃类有机物最多的是1~2环的, 次之是3~4环, 4环以上有机物最少, 这与检测结果一致。

图3

Fig.3

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	图3 污染场地水体同步荧光光谱(a)及其参数, (b) I325/257和I360/275; (c) S363~595, S250~308, S308~363Fig.3 Synchronous fluorescence spectrum (a) and (b) I325/257 and I360/275; (c) S363~595, S250~308 and S308~363 its parameters of water in contaminated site

由于该场地水体中DOM主要是石油污染物, 而不是天然DOM, 因此使用天然DOM不能较好解释样品EEM光谱图分区结果。 基于分区结果, 如图4中P2-P9, C10, S11将样品EEM光谱图可以分为4种。 (1)P2, P5和P9表现出Ⅱ 和Ⅳ 区明显荧光峰, Ⅰ 区存在肩峰, 其EEM荧光光谱图表现出DOM主要是石油污染物, 已有研究表明^[15], Ex/Em=228/340 nm附近的荧光峰与萘系物有密切关系, 说明P2, P5和P9样品主要为萘系物污染, 与GC/LC-MS检测结果一致; (2)P3, P4, P6, P8和C10样品表现出Ⅱ 区最高荧光峰, Ⅰ , Ⅲ , Ⅳ 和Ⅴ 都存在肩峰, 有报道^[9], Ex/Em=256/363 nm附近的荧光峰与菲系物有密切关系, 说明P3, P4, P6, P8和C10样品主要为萘系物和菲系物污染, 与GC/LC-MS检测结果一致; (3)P7样品EEM光谱图与其他污染样品EEM光谱图不同, 表现出在Ⅰ 和Ⅳ 区有明显荧光峰, Ⅴ 区存在肩峰, 先前研究表明^[6], Ex/Em=260/280 nm处荧光值与苯系物有很强的相关性, 说明P7样品主要为苯系物污染, 与GC/LC-MS检测结果一致; (4)由于S11样品并没有受到石油污染, 其EEM光谱图主要是天然DOM, Ⅱ 区出现明显荧光峰, Ⅳ 和Ⅴ 区出现肩峰, 说明样品中含有大量类色氨酸物质。 据报道^[10], Ex/Em=280/345 nm附近荧光与1环和2环芳烃化合物有关, Ex/Em=240/375 nm附近荧光与3环芳烃化合物有关, Ex/Em=220/400 nm附近与3环和4环芳烃化合物有关, Ex/Em=260/440 nm附近与5环芳烃化合物有关, 与本研究结果类似。 EEM光谱参数图4(a, b)说明了所有污染样品中的有机物都经过了长时间的生物转化, 但不同污染样品的生物转化程度和腐殖化程度不同, 如P6样品有机物腐殖化程度最高, P2样品有机物腐殖化程度最低。 有研究表明^[11], 有机物腐殖化程度越高, 越难降解, 说明P6样品中的有机物很难降解。

图4

Fig.4

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	图4 污染场地水体三维荧光图P2-P9, C10-C11及其参数HIX与β :α (a), BIX和FI(b), Ⅰ , Ⅱ , Ⅲ , Ⅳ 和Ⅴ (c)Fig.4 EEMs P2-P9, C10-C11 and its parameters HIX and β :α (a), BIX and FI(b), Ⅰ , Ⅱ , Ⅲ , Ⅳ and Ⅴ (c) of water in contaminated site of water in contaminated site

使用三维荧光区域积分法(FRI)对化合物进行半定量分析, 可以快速有效地定量有多个荧光峰和荧光区域的化合物。 从图4(c)可以看出, P1和S11样品的各区域体积占比类似, 说明P1和S11样品中有机物有同一来源或者相互连通; 所有样品样本Ⅳ 和Ⅴ 区体积都占总积分体积的50%以上, 说明样品中微生物对有机物进行降解, 产生大量羟基、 羰基、 羧基和烷氧基等官能团, 与UV-Vis检测结果类似。

由于UV-Vis和荧光光谱参数均可以表示不同区域水体中有机物的基本特征, 包括样品的老化程度, 芳香化程度或缩合度和分子量高低等。 因此, 为了分析不同方法得到的参数间的相互关系, 对所有参数进行相关性分析(见图5)。 可以看出, 紫外参数SUVA₂₅₄和A_253/203、 荧光参数S_363~595与I_360/275呈显著正相关, 说明含有4个以上苯环类物质不饱和程度, 芳香化程度, 取代程度高; 紫外参数A_240~400和A_200~240与荧光参数S_308~363呈显著正相关, 与A_253/203, S_363~595, NH4+呈非常显著正相关, 与Ca²⁺呈显著负相关, 说明3环以上的苯环类物质芳香化程度, 取代程度高; A_253/203和S_363~595非常显著正相关, 与 NH4+显著正相关, 与Ca²⁺显著负相关, 说明石油烃转化需要N H4+参与; S_250~308与S_308~363都与污染样品石油烃含量呈非常显著正相关, 说明荧光参数S_250~380和S_380~363可以表示污染样品石油烃含量, S_250~380与I_360/275和HIX显著正相关, 说明含有1~2个苯环类物质结构简单; I_325/275与I_360/275都和BIX和β :α 呈显著负相关, 其中I_360/275和污染样品石油烃浓度显著负相关, 说明I_360/275不能表示污染样品石油烃浓度; C₁₅-C₄₀类石油烃和Ⅰ , Ⅱ 和Ⅳ 区体积呈现非常显著正相关, 与Ⅲ 区体积有显著正相关, 说明C₁₅-C₄₀类石油烃显著影响三维荧光图各分区体积, C₁₅-C₄₀类石油烃含量越高, Ⅰ , Ⅱ , Ⅲ 和Ⅳ 区体积越大, 也表明C₁₅-C₄₀类石油烃在Ⅰ , Ⅱ , Ⅲ 和Ⅳ 区都存在荧光峰; C₁₀-C₁₄类石油烃和Ⅱ 区体积有显著正相关, 说明C₁₀-C₁₄类石油烃显著影响三维荧光图Ⅱ 区体积, C₁₀-C₁₄类石油烃含量越高, Ⅱ 区体积越大; 荧光参数FI和 NO3-显著正相关, 说明转化为微生物源有机物需要 NO3-参与; BIX与β :α 都与HIX显著负相关, 说明微生物源有机物老化程度低; EC和Na⁺, Ca²⁺, Cl^-与 SO42-呈显著正相关。 可以看出, 光谱参数与环境因子之间有很好的相关性, 因此可以使用光谱参数表示不同石油烃组分。

图5

Fig.5

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	图5 光谱参数与环境因子的相关性Fig.5 Correlation between spectral parameters and environmental factors

对不同碳链长度的石油烃C6-C9组分采用UV-Vis参数S_308~363, SUVA₂₅₄和三维荧光光谱Ⅰ 区指示; C10-C14组分和总石油烃(TPH)浓度采用三维荧光Ⅳ 区快速指示; C15-C28和C29-C40可采用三维荧光Ⅰ 区体积快速指示, 拟合效果好显著性差异均小于0.01。 浓度与光谱参数进行多元线性回归分析。 结果表明, 不同碳链长度的石油烃都可以用光谱参数进行多元线性拟合, 且拟合效果较好, 显著性均小于0.01。 C₁₀-C₄₀和TPH的浓度均可以使用FRI进行定量分析, 因此, 可以通过利用石油污染水体的光谱参数对石油烃浓度和组成进行预测, 利于评估水体石油污染状况, 便于管理人员对水体石油污染进行控制。 并且已有传感器形式的三维荧光设备可以实时获取水体EEM光谱图^[12], 使实时原位获得水体的石油烃组成和浓度成为可能。

c(C6⁃C9)=-947.869+2.278×S308~363-32014.257×SUVA254-0.002×ⅠR2=0.962, p< 0.001c(C10⁃C14)=4.210+0.0003×ⅣR2=0.588, p< 0.01c(C15⁃C28)=-2011.123+0.006×ⅠR2=0.913, p< 0.001c(C29⁃C40)=-79.432+0.0004×ⅠR2=0.935, p< 0.001TPH=-2007.155+0.005×Ⅳ R2=0.786, p< 0.001

本研究在实际场地证明了光谱参数法可以估计水体石油污染状况和对水体石油污染做出预警。 PAHs是石油中主要的荧光物质, 虽然单个PAH荧光强度与其浓度呈线性关系, 如果存在多种PAHs会导致EEM光谱重叠, 不能对其中一个PAH进行分析。 本研究试图通过GC/LC-MS测定的苯系物浓度与其EEM光谱中特征荧光峰的峰值进行相关性分析, 但没有得到很好的一致性, 见表1。 可能是由于(1)多种苯系物的EEM光谱特征荧光峰相互影响^[13]; (2)水体中苯系物浓度过高会造成特征荧光峰红移^[14]。 总之, 具有2个苯环的PAHs和具有多个苯环的PAHs的EEM图谱明显不同, 并且根据实际污染场地证明了EEM图谱不同区域的积分体积与GC/LC-MS数据有很好的相关性; 因此, 光谱参数法可以很好地估计和预测水体的石油污染状况, R²=0.786, p< 0.001。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 GC-MS结果与光谱特征峰值相关性分析 Table 1 Correlation analysis between GC-MS results and spectral characteristic peak value 污染物 Ex/Em/nm Pearson相关系数 p值 参考文献 苯 260/280 0.488 0.151 [6] 甲苯 270/280 0.605 0.063 [6] 乙苯 260/285 0.507 0.134 [6] 二甲苯 270/295 0.582 0.077 [6]

表1 GC-MS结果与光谱特征峰值相关性分析 Table 1 Correlation analysis between GC-MS results and spectral characteristic peak value

由于石油污染水体中多种PAHs的EEM图谱相互重叠, 光谱参数法无法对单个PAH进行定量分析。 虽然EEM图谱比TOC或UV-Vis分析更具特异性, 但不能与GC/LC-MS分析的准确性相比。 EEM图谱具有(1)更灵敏(它可以同时分析数千种化合物, 而不是单个化合物); (2)成本低(< 60元/样本); (3)时间短(从处理样本到测试完成仅需十几分钟); (4)结合液相萃取, 光谱参数法可以为石油有关的PAHs提供了一种简便的测定方法^[15]。 这种方法可应用于暴露风险评估和环境监测中的来源解析研究。