CN106442441B - 基于荧光光谱积分比值判定有色可溶性有机物来源的方法 - Google Patents

基于荧光光谱积分比值判定有色可溶性有机物来源的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于荧光光谱积分比值判定有色可溶性有机物来源的方法，测定湖泊有色可溶性有机物三维荧光光谱后，采用腐殖酸C峰光谱积分值与类色氨酸T峰光谱积分值的比值IC：IT来对有色可溶性有机物来源进行区分，IC：IT<5为内源主导；5≤IC：IT≤20为外源主导；IC：IT>20为强烈外源作用。本发明方法无需添加化学试剂，也不需要进行繁琐的传统化学指标的测定和三维荧光组分平行因子分析等复杂计算，只需测定有色可溶性有机物在几个常用波段范围内的荧光强度，即可实现内陆水体有色可溶性有机物来源的快速评价和划分，可操作性强，易于推广并与国内外同行研究结果作对比，同时也容易改装为在线或原位监测荧光探头，因而具有重要而广泛的应用价值。

Description

基于荧光光谱积分比值判定有色可溶性有机物来源的方法
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，主要用以判定溶解性有机物来源，具体则是发展一种基于三维荧光光谱区域类腐殖酸C峰与类色氨酸T峰积分比值IC：IT开展内陆水体有色可溶性有机物来源的判定方法。
背景技术
溶解性有机物(DOM)在迁移转化过程中，尤其是微生物降解与光降解过程中，通常伴随有大量CO2的释放。内陆水体中溶解性有机物作为CO2的重要来源，其迁移转化规律有待研究。DOM迁移转化过程如何作用于内陆水体碳循环及大气二氧化碳的相关研究依然较少。具有较长水力滞留时间的内陆富营养水体有机碳库通常以内源有机物占主导地位，该部分内源性有机碳通常受微生物作用较为强烈。有色可溶性有机物CDOM是DOM中能够强烈吸收紫外辐射的部分，因而能强烈影响光照在水下的传播。CDOM在微生物作用及光解过程中通常伴随有大量营养盐的释放。这部分营养盐能较大程度地影响内陆水体初级生产力。再者，具有较高浓度CDOM的水体能释放大量致癌物质，并能强烈影响微量元素有效性及重金属运移。由此可见，区分内外源CDOM并了解制约CDOM迁移转化因素对于解析内陆水体碳循环具有重要意义。
对于特定水体而言，CDOM来源纷繁复杂，主要包括外源河流输入、大气降水输入及地下水输入等；内源藻、草降解及其他水生生物代谢及残体分解产物。传统的化学分析方法不仅费时费力，成本较大，而且测试过程可能会消耗大量化学物品，对环境造成较大的潜在危害。由于CDOM结构非常复杂，运用传统的化学分析方法难以有效地表征其组成结构的变化。然而，运用激发-发射三维荧光技术却能提供关于CDOM来源与组成的大量信息，并且样品预处理过程简单易行。CDOM三维荧光技术相比于吸收光谱而言具有更高的分辨率。这是由于，在相同激发条件下，CDOM可发出不同波段的荧光，因而在吸收光谱的基础上高出一个维度。尽管平行因子分析技术比以往任何方法都能更为有效地解析三维荧光数据，然而，不同环境下采集的三维荧光样品解析所得的平行因子分子组分各不相同，因而很难对不同生态环境下荧光光谱做比较。并且，平行因子分析模型往往需要专业人士开展大量数据分析和计算，限制了一般人员对CDOM来源的判断。
对于山区饮用水或及近海水体而言，CDOM荧光信号通常以陆源类腐殖酸C峰(激发发射波长分别为320-360/420-480nm)为主导。该荧光信号通常是认为表征陆源土壤有机质及枯枝落叶残体降解而得的CDOM的独特信号。而在具有较长水力滞留时间的富营养水体，生物降解所产生的内源类色氨酸T峰(激发发射波长分别为225-230(275)/340-350nm)荧光信号所占比重较大。有研究表明，荧光光谱积分能够有效表征CDOM组成结构的变化，并有效避免目前广泛应用的荧光指数仅用非常有限波段下荧光强度值表征CDOM结构。因此荧光光谱在C峰与T峰积分比值能够有效反映CDOM组成结构的变化。
由于CDOM的生物可利用性及矿化速率等特性直接受制于CDOM来源，因而需要一种准确、便捷的方法判定CDOM来源的方法。
发明内容
本发明目的提出一种基于三维荧光光谱积分比值并快速判定有色可溶性有机物来源的方法，该方法适用于不同大小、深度、海拔及营养程度的湖泊生态系统，并且无需添加化学试剂，操作简单易行，所需成本很低且数据获取速度快，具有重要的推广价值。
该发明基于以下操作予以实现：申请人通过对全国17个不同大小、深度、海拔及营养程度的湖泊及相应入湖支流多季度共1441个样点数据，并结合室内污水添加实验数据分析发现，有色可溶性有机物荧光光谱积分比值IC：IT与腐殖化指数HIX存在极显著正相关，同时所述比值IC：IT与用平行因子分析所得到的表征CDOM陆源输入的组分C1与内源类色氨酸C4比值，即C1：C4之间亦存在极显著正相关。由此表明，该比值IC：IT可以用于内陆水体有色可溶性有机物来源的区分，其特征是：基于不同大小、海拔、深度、水力滞留时间及富营养化程度湖泊有色可溶性有机物荧光光谱的测定，构建荧光光谱在类腐殖酸C峰及T峰处积分比值IC：IT与腐殖化指数HIX之间关系的经验模型，并通过与平行因子分析所得组分类腐殖酸C1与类色氨酸C4比值，即C1：C4之间关系的经验模型加以验证。通过荧光光谱积分比值IC：IT即可快速通过相应阈值区分有色可溶性有机物的来源。由于CDOM荧光技术可以很便捷地改进成为在线及原位监测探头，因而该技术具有很大的推广前景。
本发明提出的一种基于荧光光谱积分比值判定的有色可溶性有机物来源的判定方法，分为以下几个步骤：
(1)测定湖泊有色可溶性有机物三维荧光光谱；
(2)在腐殖酸C峰光谱积分值与类色氨酸T峰光谱积分值的比值IC：IT；其中，腐殖酸C峰激发波长波长范围320-360nm，发射波长波长范围420-480nm，类色氨酸T峰激发波长分225-230(275)nm，发射波长波长范围340-350nm；计算公式如下：
式中，Ex为激发波长，Em为发射波长；
(3)采用上述比值IC：IT对内陆水体有色可溶性有机物来源的阈值进行界定：IC：IT<5为内源主导；5≤IC：IT≤20为外源主导；IC：IT>20为强烈外源作用。
本发明的优点：
(1)与以往利用稳定性同位素δ13C-DOC、傅里叶变换粒子回旋高分辨率质谱、傅里叶变换红外光谱用以判别溶解性有机物来源的方法不同，本发明方法该类纷繁复杂的物质化学结构的测定，因此无需氮吹浓缩、酸化冻干等繁琐的预处理过程，也无需添加任何化学试剂，大幅度节约了成本，且对环境友好，基本实现零污染。
(2)有色可溶性有机物的荧光光谱的测定预处理仅需简单的过滤即可，测定成本很低；光谱测定也仅是利用荧光光度计进行扫描，为傻瓜式操作，无需繁复的培训，简洁快速，数小时内即可完成数十个样品的测定。反观稳定性同位素、高分辨率质谱及红外光谱需要数天、乃至十数天才能完成(稳定性同位素δ13C-DOC及傅里叶变换红外光谱均需要将样品冻干或低温烘干，一般需要一周时间，而傅里叶变换粒子回旋高分辨率质谱则需要将样品氮吹富集，非常费时费力)。
(3)采用HIX指数判定有机物来源所能涵盖的荧光光谱范围很有限，信噪比较低，且变化幅度比较窄，判定来源时有一定的局限，而荧光光谱积分比值IC：IT由于涵盖的荧光光谱跨幅较宽，能比较全面地展示有色溶解性有机物结构(即来源)的变化。另一方面，该比值变化幅度较大，灵敏性显著高于腐殖化指数HIX。而平行因子分析所得到的荧光组分是因样品而异的，而且分析复杂，往往需要专业人士开展大量数据分析和计算，限制了一般人员对CDOM来源的判断，而采用本发明的方法无需进行平行因子分析即可轻松实现对有色溶解性有机物来源的判定。
(3)本发明提出了一种新型监测内陆水体溶解性有机物来源的新途径。由于荧光光谱较容易改装成为在线及原位荧光监测探头，因而可以广泛应用于不同类型水体有色可溶性有机物来源的研究，也非常方便国内外同行研究成果进行比较，必将深化内陆水体碳循环的基础理论研究，也将有利于内陆水体溶解性有机物来源与结构的监测。
以下结果是基于具体案例对本发明进行进一步的阐述。本发明的应用范围并不局限于该具体实施方案，而是包含于前述权利要求范围内。
附图说明
图1是平行因子分析解析得到六个荧光组分；
其中Comp1～6依次为组分C1～C6，组分C1为陆源类腐殖酸，C2为农业类腐殖酸，C3为微生物作用类腐殖酸，C4与C6均为类色氨酸，C5为类酪氨酸。
图2是荧光光谱积分比值IC：IT与平行因子分析解析的类腐殖酸C1与类色氨酸C4比值C1：C4及腐殖指数HIX之间的关系。
具体实施方式
以下通过对我国不同大小、深度、海拔、水力滞留时间及营养水平的湖库及支流研究结果对本方法做进一步阐述，并对研究结论IC：IT作为一种有效的指示有色可溶性有机物来源的参数做进一步说明。2004-2015年在西北、西南和长江中下游等地选择博斯腾湖、青海湖、泸沽湖、程海、洱海、抚仙湖、滇池、阳宗海、三峡水库、洪湖、东湖、梁子湖、天目湖、千岛湖、太湖、傀儡湖、杭州西湖共计17个湖泊(表1)进行了数十次野外样品采集，构建有色可溶性有机物荧光光谱积分比值IC：IT与腐殖化指数HIX的关系模型，并以平行因子分析所得组分C1：C4与该比值IC：IT关系加以验证该关系模型的有效性。
表1 17个研究湖泊面积、海拔及平均水深及每个湖泊采集的样品数量
图1表征平行因子分析所得的6个荧光组分：组分C1为陆源类腐殖酸，C2为农业类腐殖酸，C3为微生物作用类腐殖酸，C4与C6均为类色氨酸，C5为类酪氨酸。组分C1为明显的陆源土壤有机质信号，能有效表征陆源河流有机质输入。而C4为特有的内源微生物作用于其他水生生物分解过程的类氨基酸信号。因而C1：C4即可用以表征有色可溶性有机物CDOM的不同组成结构，反映CDOM的不同来源。
图2为荧光光谱积分比值IC：IT与平行因子分析解析的类腐殖酸C1与类色氨酸C4比值C1：C4及腐殖指数HIX之间的关系。该图结果表明，IC：IT与C1：C4关系最为密切也最能反映CDOM结构的变化。另外IC：IT变幅最大，对CDOM来源响应也最为敏感。
表1为17个研究湖泊面积、海拔及平均水深及每个湖泊采集的样品数量。由该表可知，野外采集的样品覆盖不同大小、深度、海拔、水力滞留时间及营养水平。由此表明，新提出的IC：IT作为指示有色可溶性有机物CDOM来源的参数具有良好的普适性及重要的推广潜力。
本发明判别不同湖库CDOM来源具体操作如下：
(1)测定湖泊有色可溶性有机物三维荧光光谱；
(2)在腐殖酸C峰光谱积分值与类色氨酸T峰光谱积分值的比值IC：IT；其中，腐殖酸C峰激发波长波长范围320-360nm，发射波长波长范围420-480nm，类色氨酸T峰激发波长分225-230(275)nm，发射波长波长范围340-350nm；计算公式如下：
式中，Ex为激发波长，Em为发射波长；
(3)采用上述比值IC：IT对内陆水体有色可溶性有机物来源的阈值进行界定：IC：IT<5为内源主导；5≤IC：IT≤20为外源主导；IC：IT>20为强烈外源作用。
其中，三维荧光光谱的测定方法为：利用孔径为0.22μm的Millipore膜过滤获得有色可溶性有机物样品，之后采用荧光光度计测定三维荧光光谱。
本发明通过建立IC：IT与HIX指数关系模型，并通过建立IC：IT与C1：C4的关系模型辅以验证，证明了本发明方法的可行性。
上述关系模型构建方式具体步骤如下：
(1)通过野外布置样点，并采集水样运回实验室用以测定有色可溶性有机物三维荧光光谱。
(2)测定CDOM三维荧光光谱。荧光光谱的测定是通过孔径为0.22μm的Millipore膜在日立公司生产的荧光光度计上测定三维荧光光谱。
(3)计算CDOM光谱学参数，包括荧光光谱积分比值IC：IT与腐殖化指数HIX。其中IC：IT为有色可溶性有机物在陆源类腐殖酸C峰(激发发射波长分别为320-360/420-480nm)光谱积分值与类色氨酸T峰(225-230(275)/340-350nm)光谱积分值的比值：
式中，Ex为激发波长，Em为发射波长；
HIX为255nm激发下435-480nm与300-345nm处荧光强度积分比值。
(3)构建有色可溶性有机物荧光光谱积分比值与HIX腐殖化指数的关系模型：
IC:IT＝1.84HIX+1.56(r2＝0.47,n＝1441,p＜0.001) (2)
根据HIX区分有机物来源的阈值范围为：HIX<3为内源主导，3≤HIX≤6为外源主导，HIX>6为强烈外源作用。
(4)根据野外采集的我国西北、西南及东部平原区17个湖泊及相应支流共计1441个站点C1：C4和荧光光谱积分比值，建立经验模型，通过测定有色可溶性有机物荧光光谱即可方便快捷地判定不同水体CDOM的来源：
IC:IT＝5.70C1:C4+1.92(r2＝0.80,n＝1441,p＜0.001) (3)
式中IC：IT为荧光光谱陆源类腐殖酸C峰与类氨基酸T峰积分比值，C1：C4为有色可溶性有机物荧光光谱经平行因子解析所得表征外源与内源两个组分荧光强度的比值。
根据C1：C4区分有机物来源的阈值范围为：C1：C4<1为内源主导，1≤C1：C4≤3为外源主导，C1：C4>3为强烈外源作用。
(5)通过平行因子分析C1：C4与比值IC：IT之间的经验关系，进一步验证该指标用以判定CDOM来源的合理性及有效性。因为C1：C4能在很大程度上反映有色溶解性有机物结构(即来源)的变化，所以公式(3)的结果(线性相关的决定系数为0.80)反映出IC：IT能在很大程度上揭示有色溶解性有机物结构(即来源)的变化，验证了采用IC：IT取代HIX判定有色溶解性有机物来源的可行性。
(6)运用有色可溶性有机物三维荧光光谱不同峰信号积分比值对不同水体有色可溶性有机物来源进行甄别：根据IC：IT与HIX经验关系模型，并辅以IC：IT与C1：C4关系验证，提出基于CDOM荧光光谱积分比值开展对不同来源有色可溶性有机物来源进行判别的标准与阈值。
IC：IT<5为内源主导；5≤IC：IT≤20为外源主导；IC：IT>20为强烈外源作用。

Claims (5)

1.一种基于荧光光谱积分比值判定有色可溶性有机物来源的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测定湖泊有色可溶性有机物三维荧光光谱；
(2)在腐殖酸C峰光谱积分值与类色氨酸T峰光谱积分值的比值IC：IT；其中，腐殖酸C峰激发波长波长范围320-360nm，发射波长波长范围420-480nm，类色氨酸T峰激发波长分225-230(275)nm，发射波长波长范围340-350nm；计算公式如下：
式中，Ex为激发波长，Em为发射波长；
(3)采用上述比值IC：IT对内陆水体有色可溶性有机物来源的阈值进行界定，水体有色可溶性有机物来源的阈值界定基于腐殖化指数HIX；根据所述比值IC：IT获取表征CDOM组成结构参数HIX，其经验模型公式为：
IC:IT＝1.84HIX+1.56(r2＝0.47,n＝1441,p＜0.001) (2)
式中，HIX为255nm激发下435-480nm与300-345nm处荧光强度积分比值；根据HIX区分有机物来源的阈值范围为：HIX<3为内源主导，3≤HIX≤6为外源主导，HIX>6为强烈外源作用；计算得采用比值IC：IT进行界定的阈值范围为：
IC：IT<5为内源主导；5≤IC：IT≤20为外源主导；IC：IT>20为强烈外源作用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，三维荧光光谱的测定方法为：利用孔径为0.22μm的Millipore膜过滤获得有色可溶性有机物样品，之后采用荧光光度计测定三维荧光光谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述比值IC：IT获取与表征陆源类腐殖酸的组分C1及表征内源类氨基酸的组分C4的比值，即C1：C4，其关系模型公式为：
IC:IT＝5.70C1:C4+1.92(r2＝0.80,n＝1441,p＜0.001) (3)
根据C1：C4区分有机物来源的阈值范围为：C1：C4<1为内源主导，1≤C1：C4≤3为外源主导，C1：C4>3为强烈外源作用。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述关系模型构建方式具体步骤如下：
(1)测定湖泊有色可溶性有机物三维荧光光谱；
(2)运用平行因子分析将三维荧光光谱分解为6个荧光组分，其中包含表征陆源类腐殖酸的组分C1及表征内源类氨基酸的组分C4；
(3)计算有色可溶性有机物荧光光谱积分比值IC：IT、陆源类腐殖酸与内源类色氨酸比值C1：C4、与腐殖化指数HIX三个表征CDOM来源及组成结构参数；
(4)构建有色可溶性有机物荧光光谱积分比值IC：IT与表征CDOM组成结构参数HIX及平行因子分析解析所得组分C1与C4比值C1：C4的经验关系，分别获取公式(2)、(3)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，三维荧光光谱的测定方法为：利用孔径为0.22μm的Millipore膜过滤获得有色可溶性有机物样品，之后采用荧光光度计测定三维荧光光谱。
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CN106442441A (zh) 2017-02-22

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