基于三维荧光光谱–平行因子分析法的水中溶解性有机质检测研究

Research on Detection of Aqueous Dissolved Organic Matter in Water Using Three-Dimensional Fluorescence Spectroscopy-Parallel Factor Analytical Method

摘要: 项目以校园内自然河水为研究对象，利用三维荧光光谱技术，结合平行因子法和相关性分析，对水中溶解性有机质(DOM)的组成和变化进行了研究。结果表明：自然河水含有两类3个荧光组分，分别为类腐殖酸荧光组分(C1和C2)和可溶性的微生物副产物荧光组分(C3)。荧光指数(FI)、自生源指数(BIX)、腐殖化指数(HIX)和新鲜度指数(β:α)分别为1.5~1.9、0.8~1.0、0.5~0.7和0.5~1.0，表明水中DOM由陆源输入和内源释放共同造成，水体DOM腐殖化程度较弱。结合相关性分析得出，校园内自然河水组分C3分别与β:α和BIX呈极显著正相关性，这表明在特定条件下组分C3对水体中的β:α和BIX有指示功能。结果表明利用荧光光谱结合平行因子法对水体检测及分析是较快捷、方便的适宜的方法，同时对水体的环境行为起到一定指导作用。

Abstract: Using three-dimensional fluorescence spectroscopy technology, combined with parallel factor analysis and correlation analysis, the composition and variations of Dissolved Organic Matter (DOM) from natural river water on campus were studied. The results showed that the natural river water contained two types of 3 fluorescent components, namely, humic acid-like fluorescent components (C1 and C2) and soluble microbial by-product fluorescent components (C3). The fluorescence index (FI), autogeny index (BIX), humification index (HIX) and freshness index (β:α) were 1.5~1.9, 0.8~1.0, 0.5~0.7 and 0.5~1.0, respectively, indicating that DOM was caused by terrigenous input and endogenous release, and the humification degree of DOM was weak. Combined with the correlation analysis, it was concluded that the C3 in natural river water had extremely significant positive correlation with β:α and BIX, respectively, which indicated that component C3 had an indicator function on β:α and BIX in the water body under certain conditions. The study showed that the fluorescence spectroscopy combined with the parallel factor method is a quick and convenient method for water detection and analysis. Moreover, it plays a guiding role in the water environmental behavior.

1. 引言

溶解性有机质(Dissolved Organic Matter, DOM)是一种复杂的有机物质，在水域生态系统中扮演着不可或缺的角色[1]。目前通常采用化学法、色谱法和光谱法等方法来检测水质。化学法主要是通过测定样品中的酸碱度、化学需氧量等指标去分析水样的污染状况，然而利用单个指标进行分析，所得的结果片面性强，因此这种方法往往要求对多个指标进行综合分析[2]。色谱法用于水质指标检测具有高精确度和出色的检测能力[3]，但这两种方法步骤繁琐、耗时耗力、成本高，无法及时有效地进行实时在线检测。

三维荧光光谱(Excitation-Emission Matrix，EEM)是研究湖泊、河流等自然水体中溶解性有机质荧光组分的一种有效方法，在水质中的检测主要包括溶解性有机物表征和特征有机污染物检测两个方面[4]。施杰根研究指出河道排放检测水质指标如pH值、化学需氧量和氨氮等数据显示水质稳定趋势，但三维荧光光谱水质预警装置能够发现异物成分异常情况[5]。三维荧光光谱分析法能够有效应用于水体中DOM的快速检测和识别，评估水体整体的污染状况，实现对水体中各种组分的含量变化及整个水体的污染状况的实时监控，是目前国内外学者关注的热点[6]。

然而，在利用三维荧光光谱技术对DOM进行分析时，荧光光谱中的各个荧光组分之间存在着微妙的互动关系，出现相互干扰、重叠等现象。这种现象可能会导致一些难以区分的杂散光干扰，影响到我们对真实的DOM成分的判断，不可避免地会对研究结果造成影响，进而可能会带来关于DOM结构和功能特性的误解或误判[7]。平行因子法能够高效地识别DOM中的荧光组分，是解析三维荧光光谱数据矩阵的关键。国外学者Coble利用平行因子分析(Parallel Factor Analysis, PARAFAC)技术，构建发光物质种类与其相应荧光之间的关联模型[8]，并对该模型经过研究人员的持续努力和不断改进，现已得到广泛应用[9]-[13]。

基于以上研究，本项目将以不同月份下采集的校园内自然形成河水为研究对象，运用三维荧光光谱结合PARAFAC法对水体中溶解性有机质的组成和变化进行研究，探究各组分之间的相关性，以期为建立基于三维荧光光谱的水质快速监测方法与解析水质的环境行为提供理论依据。

2. 材料与方法

2.1. 材料、试剂与仪器

样本：校园内自然河水。

试剂：浓硫酸、0.01 mol/L高锰酸钾溶液、0.02 mol/L硫代硫酸钠标准溶液、1%淀粉溶液、碱性碘化钾溶解、硫酸锰溶液、超纯水、无水乙醇。

仪器：荧光分光光度计(F97XP；上海棱光技术有限公司)、ME104型电子天平(Mettlertoledo公司)。

2.2. 试验样本

样本采集：分别采取不同月份下的校园内自然河水，分装在三个100 mL聚乙烯塑料瓶中，每个100 mL聚乙烯塑料瓶中加入0.4 mL硫酸锰溶液和0.8 mL碱性碘化钾溶液，拧紧瓶塞，将瓶子上下颠倒并充分振摇，以确保其混合均匀。在瓶子上贴上标签注明样品名称及日期等，4℃条件下避光保存。

2.3. 测定指标及方法

2.3.1. 三维荧光光谱测定

水样用0.22 μm的滤膜过滤后得到滤液，用于荧光光谱测定。荧光参数：激发波长扫描范围为200~650 nm，发射波长扫描范围为200~800 nm，扫描速度为15,000 nm/min，扫描间隔1 nm，激发采样间隔为10 nm，激发和发射带宽均为10 nm，增益(PMT)：1000 V，响应时间为自动匹配。测定过滤得到的滤液，每个样品进行平行测量三次，完毕后导出原始数据表格。将得到的数据导入Matlab R2020b中制图。

2.3.2. 溶解氧的测定

从100 mL的聚乙烯塑料瓶中取水样，向锥形瓶中使用移液管移取50 mL水样，用标准Na₂S₂O₃溶液将水样滴定至浅黄色，随后，向锥形瓶中加入2 mL的1%淀粉溶液，此时溶液变为蓝色。接着，用标准Na₂S₂O₃溶液继续滴定，直至溶液由蓝色变为无色，记录下消耗的Na₂S₂O₃标准溶液的体积，并重复此操作进行三次平行测定，以确保结果的准确性。

${\overline{V}}_{N{a}_2{S}_2{O}_3}\left(ml\right)=\left[V_{N{a}_2{S}_2{O}_3}\left(I\right)+V_{N{a}_2{S}_2{O}_3}\left(II\right)+V_{N{a}_2{S}_2{O}_3}\left(III\right)\right]$

$溶解氧\left(ml/L\right)={\overline{C}}_{N{a}_2{S}_2{O}_3}\times {\overline{V}}_{N{a}_2{S}_2{O}_3}\times 32/4\times 1000/V_{水}$

2.4. 数据处理与方法

利用Matlab R2020b软件中dreem6.4及NWay工具箱对水样三维荧光光谱进行去除拉曼散射和瑞利散射，并利用软件中PARAFAC工具箱对水样三维荧光光谱数据矩阵进行建模处理，模型通过核心一致性和拆半检验提取出荧光组分，所得最大荧光强度(Fmax)代表各组分荧光强度或相对浓度[14]，利用Excel、Origin 2018以及SPSS软件分别进行数据统计、绘图和分析的相关操作。

3. 结果与分析

3.1. 三维荧光光谱

3.1.1. 水体DOM的荧光组分识别

通过PARAFAC分析水体DOM的三维荧光光谱数据，得出自然河水有3个荧光组分，见图1所示。根据区域积分法将荧光区域划分为5个区域：区域I为(λEx/λEm = 220~250 nm/280~330 nm)，区域II为(λEx/λEm = 220~250 nm/330~380 nm)，区域III为(λEx/λEm = 220~250 nm/380~480 nm)，区域IV为(λEx/λEm = 250~280 nm/290~380 nm)，区域V为(λEx/λEm = 250 nm/380~480 nm)，5个区域的物质分别为类酪氨酸、类色氨酸、类富里酸、可溶性的微生物副产物和类腐殖酸[15]。

由图1可知校园内自然河水DOM呈现3个荧光组分(C1、C2和C3)，根据区域积分法分析结果可知，组分C1 (Ex/Em = 355 nm/450 nm)和C2 (Ex/Em = 300 nm/400 nm)都指示为类腐殖酸物质，组分C3 (Ex/Em = 280 nm/360 nm)主要体现为可溶性的微生物副产物。类腐殖酸物质是一种相对稳定、分子结构较为复杂、在人类活动范围内广泛存在的物质，难以被微生物利用，主要来源于城市污水和农业废水。可溶性的微

Figure 1. Fluorescence spectra of three components from natural river water in campus by PARAFAC model

图1. PARAFAC解析出的校园内自然河水水体的3个荧光组分

生物副产物的分子结构不稳定，为水环境下浮游生物活动产物[16]。水体DOM荧光组分种类与水体实际情况相符，即附近生活污水直排，水体流动性差，底泥长期淤积。

3.1.2. 水体荧光强度分析

利用PARAFAC提取的组分最大荧光强度(Fmax)对校园内自然河水55个水样水体DOM相对占比进行表征，结果分别如图2所示。由图清晰可知水体中类腐殖酸物质质量相对占比最大，对水体影响大。

Figure 2. Fmax and relative proportion of DOM fluorescence components from natural river water in campus

图2. 校园内自然河水水体DOM荧光组分的Fmax及相对占比

3.1.3. 荧光光谱指数分析

校园内自然河水水体中DOM的4种荧光参数如图3所示。荧光指数(FI)在DOM组成和性质方面可表示微生物来源有机质占总有机质的比例，指在激发波长为370 nm时，荧光发射波长为450 nm与500 nm处荧光强度的比值，其大小与腐殖酸分子腐殖化程度呈负相关，FI > 1.9时DOM来源主要以微生物、藻类活动(内源)为主，自生源特征明显，FI < 1.4时内源贡献相对较低，主要源于外源输入[17]。由图可见，水样的FI在1.4~2.0附近，且90%的水样的FI在1.5~1.9，说明自然河水水体有机污染由陆源输入和内源释放共同造成。水体中均有水样FI值在1.9以上，这主要是由于周边有养殖、生活废水的排放，导致该区域内的水体生物活动异常活跃，生物活性较强，自生源特征比较明显。

自生源指数(BIX)反映DOM自生源相对贡献，在0.8~1.0、0.7~0.8和0.6~0.7时，分别表示具有较强自源特征、中度新近自生源特征和较少的自生组分[18]。自然河水水体BIX为0.5~3.5，表明其为较强新生自生源特征，部分区域为中度新近自生源特征和较少的自生组分；说明水体整体处于较强的自生源特征，主要为生物活动内源产生。

腐殖化指数(HIX)反映水体DOM的腐殖化程度。当HIX > 3时，表示水体的腐殖化程度强，当HIX为1.5~3时，表示水体的腐殖化程度较弱，当HIX < 1.5时，则说明水体中的DOM主要来源于微生物[19]。由图3可知自然河水水体HIX为0.5~0.7，数值远小于1.5，说明水体DOM腐殖化程度较弱，水体DOM自生源特征明显，并且与BIX结果一致。

新鲜度指数(β:α)反映新产生的DOM在整体DOM中所占的比例，是评估水体生物活性的重要依据[20]。校园内自然河水的β:α分别为0.5~3.0，且水体90%的水样的β:α处于0.5~1.0。β:α越大表明水体生物活性越强，由此表明水体中生物活性较强，微生物在水体中的活跃程度较高，内源DOM释放速率相对较大。同时，水体受到生活污水中大量营养物质的影响，这有利于水体中生物的繁殖生长。

Figure 3. Four fluorescence parameters of DOM from natural river water in campus

图3. 校园内自然河水水体中DOM的4种荧光参数

3.2. 相关性分析

为进一步确定水体DOM的来源，根据PARAFAC分析的结果，使用SPSS软件对三种水体的样品DOM的荧光组分与荧光指数进行相关性分析[21]，表1为校园内自然河水水体荧光组分与荧光参数的相关系数表。由表1可知，自然河水组分C1、C2和C3之间均没有相关性，表明水体污染源来源不同，具有一定的差异性，组分C3与β:α以及BIX呈极显著正相关性，说明组分C3在一定条件下对水体β:α以及BIX有指示作用。

Table 1. Correlation analysis of the parameters from natural river water in campus

表1. 校园内自然河水各参数相关性分析

	C1	C2	C3	DO	FI	β:α	BIX	HIX
C1	1
C2	0.189	1
C3	−0.116	−0.176	1
DO	−0.611^**	−0.071	−0.141	1
FI	−0.118	0.284^*	−0.330^*	0.233	1
β:α	−0.182	−.378^**	0.959^**	−0.089	−0.330^*	1
BIX	−0.174	−.349^**	0.963^**	−0.098	−0.355^**	0.996^**	1
HIX	0.061	0.309^*	−0.608^**	0.241	0.548^**	−0.558^**	−0.559^**	1

注：^**在p < 0.01为极显著相关，^*在p < 0.05为显著相关。

4. 结论

采用三维荧光光谱结合平行因子分析表征水中DOM的光学特征，探究校园内自然河水的环境行为，采用多种荧光光谱指数解析DOM来源，得到以下结论：

1) 利用PARAFAC对校园内自然河水DOM三维荧光光谱进行解析，主要出现荧光组分2种，分别为可溶性的微生物副产物和类腐殖酸物质。

2) 荧光光谱指数证实校内自然河水受外源因素影响较小。水体DOM自生源特征明显，主要为生物活动内源产生。通过相关性分析得出校园内自然河水组分C3分别与β:α和BIX呈极显著正相关性，说明组分C3在一定条件下对水体中的β:α和BIX有指示作用。

基金项目

安徽省教育厅重大基金项目(No. 2022AH040154)、滁州市科技局指导性计划(No. 2021ZD025)、校级重点研究项目(No. 2022XJZD22)。

NOTES

^*通讯作者。