1 中国科学院青海盐湖研究所, 中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室, 青海 西宁 810008青海盐湖资源综合利用技术研究开发中心, 青海 西宁 810008
2 中国科学院青海盐湖研究所, 中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室, 青海 西宁 810008青海省盐湖资源化学重点实验室, 青海 西宁 810008
二维相关光谱技术（2D-COS）、 三维荧光光谱技术结合平行因子分析（EEM-PARAFAC）具有扩展识别重叠峰, 判断不同组分动态变化规律的技术特点。 因此, 2D-COS和EEM-PARAFAC分析技术可以用来分析溶解性有机质（DOM）结构组成和光谱变化特征。 采用溶解性有机碳（DOC）、 紫外-可见吸收光谱（UV）和EEM分析技术, 借助2D-COS和PARAFAC分析模型, 对青藏高原具有代表性的察尔汗盐湖、 西台吉乃尔盐湖和马海盐湖中DOM在盐田摊晒过程中的结构组成和光谱学变化特征进行了研究。 结果表明, 随着日照时间延长, 盐田中DOM和有色DOM（CDOM）含量逐渐升高, 且DOM的增长倍数明显高于CDOM。 在整个盐田摊晒阶段, 察尔汗、 西台吉乃尔和马海盐田中DOM和CDOM分别增长了1.5 vs. 1.0、 8.2 vs. 5.3和15.7 vs. 11.0倍。 此外, SUVA254、 HIX值在盐田中总体上呈现出逐渐减小的变化趋势。 2D UV-COS分析结果表明, 在察尔汗、 西台吉乃尔和马海盐田中, 吸收峰分别在230、 217和235 nm处的DOM变动较大, 变化顺序分别为228>229>230>231>232 nm & 235>234>233>232 nm、 200>216>300 nm和201>203>231>232>237>238>281>217 nm。 EEM-PARAFAC分析结果表明, 盐湖卤水中有5种荧光组分, 包括4种类腐殖质荧光组分, 分别是类海洋腐殖质C1（Ex/Em: 320/400 nm）、 类腐殖酸C2（Ex/Em: 250/400 nm）和C3（Ex/Em: 260/400 nm）、 疏水性腐殖酸C5（Ex/Em: 280, 360/430 nm）和1种类蛋白质组分C4（Ex/Em: 280/350 nm）。 其中, 尤以类腐殖质为主, 分别占总荧光组分的84.0%（察尔汗）、 87.2%（西台吉乃尔）和93.1%(马海)。 随着盐田日晒时间的延长, C1、 C2和C5在盐田中逐渐减少直至稳定不变。 其中, C2组分在盐田的尾卤阶段基本消失, 表明C2组分更加容易降解。 C3和C4在察尔汗和马海盐田的前期逐渐减少, 后期却略有升高。 相对来说, C3和C4性质相对顽固, 在盐田中降解程度远小于其他三个组分: 6.7%
二维相关光谱 三维荧光光谱 平行因子分析 溶解性有机质 盐田 Two-dimensional correlation spectroscopy Three-dimensional excitation-emission matrix fluor Parallel factor analysis Dissolved organic matter Solar ponds 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3775
1 北京化工大学化学工程学院, 北京 100029
2 北京市北运河管理处, 北京 101100
采用三维荧光光谱技术和平行因子分析, 对北方某潜流-表流复合人工湿地水体中溶解性有机质（DOM）的光谱特征、 演变过程及其来源进行研究, 以期为深入理解人工湿地的作用机理和污染物溯源提供科学依据。 结果表明, 人工湿地中各阶段的出水呈现相似的三维荧光特性, 均出现明显的类腐殖质尖峰和类蛋白峰, 但强度有所不同。 混凝沉淀对类蛋白和类腐殖质两种DOM的荧光强度均有一定的削减作用; 潜流湿地出水的荧光图谱显示, 微生物代谢副产物和类色氨酸等类蛋白峰强度明显降低, 而类腐殖质峰强度无明显变化, 这表明潜流湿地对再生水中的类蛋白物质具有明显的降解作用, 而对类腐殖质物质降解效果较弱; 相反, 在表流湿地出水的荧光图谱中发现类蛋白峰和类腐殖质峰的强度均削弱, 而且在表流湿地下游3 km处的强度达到最低。 这一趋势归因于潜流湿地中滤料表面生物膜对DOM的生物降解以及表流湿地内部活跃的微生物活动和水生植物的根系对DOM的吸附作用。 平行因子分析结果显示, 该湿地水体DOM中包含5个荧光组分, 分别为类富里酸组分C1（240, 330/430 nm）、 微生物活动相关的类腐殖质组分C2（285, 330/380 nm）、 类色氨酸C3（230/350 nm）、 微生物代谢副产物C4（280/320 nm）和陆源类腐殖质C5（270, 380/470 nm）。 采用多种荧光光谱指数对湿地中DOM的来源进行解析, 荧光指数和自生源指数均表明该湿地中DOM的来源以生物代谢输入为主, 而陆源输入的影响较小; 腐殖化因子则表明该湿地存在弱腐殖化的特征且生物来源占主导地位。 斯皮尔曼相关性分析表明5个荧光组分具有同源性, 而且与水中氮元素的迁移转化密切相关。
三维荧光光谱 平行因子分析 溶解性有机质 人工湿地 Three-dimensional excitation-emission matrix fluor Parallel factor analysis Dissolved organic matter Constructed wetland 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1240
1 中原工学院能源与环境学院, 河南 郑州 450007
2 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
3 中国环境科学研究院, 北京 100012
4 火箭军后勤科学技术研究所, 北京 100190
土壤渗滤系统容易发生堵塞, 堵塞问题是土壤渗滤研究的热点问题。 利用三维荧光光谱(3D-EEMs)、 红外光谱(FTIR)、 紫外-可见光谱(UV-Vis)和高通量测序的方法研究了土壤渗滤处理老龄养猪废水发生堵塞过程中的光谱学特征和微生物多样性。 试验在一个小试规模的土壤渗滤系统中进行, 反应器为高50 cm、 内径4 cm的有机玻璃管, 底部设置采样口, 其中填充北京市顺义区试验基地内表层土, 废水自上而下流经系统。 三维荧光光谱分析表明, 系统完全堵塞之前, 经过处理之后, 溶解性有机物(DOM)转变为类富里酸, 而当系统发生了堵塞, DOM的组成基本不变, 只有进水中原本存在的类蛋白峰发生了微弱的红移, 有发生转化的趋势, 荧光峰的相对强度减弱, 表明DOM的浓度减小。 红外光谱分析表明, 进出水DOM主要成分为糖类、 酚类、 脂类、 有机酸及芳香类有机物。 紫外-可见光谱分析表明, 堵塞前、 堵塞时及堵塞后系统对DOM的去除率分别为17.26%, 37.24%和48.08%, 堵塞的发生对去除有色DOM浓度是有利的, 并且出水中大分子苯环结构减少。 反应器发生堵塞时, 下层土壤样品微生物多样性大于上层, 细菌的群落多样性大于真菌的群落多样性。 土壤样品中纲一级的主要优势细菌为Actinobacteria放线菌纲和Alphaproteobacteria α-变形菌纲的菌群, 主要优势真菌为Sordariomycetes粪壳菌纲和Eurotiomycetes散囊菌纲的菌群。 研究结果可以为解决土壤渗滤堵塞问题提供科学依据, 提高土壤渗滤推广应用范围。
溶解性有机物 土壤渗滤 三维荧光光谱 堵塞 微生物多样性 高能量测序 Dissolved organic matter Soil infiltration Three-dimensional excitation-emission matrix fluor Clogging Microbial diversity High-throughput sequencing(HTS) 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1541
1 中原工学院, 河南 郑州 450007
2 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
3 中国环境科学研究院, 北京 100012
4 火箭军后勤科学技术研究所, 北京 100190
利用三维荧光光谱（3D-EEMs）和平行因子分析（PARAFAC）的方法研究了土壤渗滤处理污水厂二级出水中氮、 磷及溶解性有机物（DOM）的垂直分布特征。 试验在一个中试规模的土壤渗滤系统中进行, 反应器自上而下每隔30 cm设置一个采样口, 采集的样品通过PARAFAC识别出系统不同点位的DOM具有4个荧光组分, 包括2个类腐殖质物质（C1, C2）、 2个类蛋白物质（C3, C4）。 对荧光组分浓度得分Fmax分析得出, C4代表的类色氨酸比其他3类物质更易于降解, 即类色氨酸最易降解, 其次为类富里酸、 类胡敏酸类物质、 类蛋白物质。 四种组分的Fmax变化幅度都以在0~30 cm处最大, 表明此处生化反应最为剧烈, DOM的迁移转化速率最大。 运用PARAFAC、 主成分分析（PCA）和聚类分析（CA）等手段, 可以揭示土壤渗滤系统中DOM的来源和不同深度的变化规律。 土壤渗滤系统在4 L·d-1的低负荷条件下处理污水处理厂二级出水, 对TN和NO3-N的去除是不利的, 后续可以耦合反硝化滤池等工艺强化反硝化脱氮, 进一步提高氮素的去除率。 土壤对磷的吸附尚未达到饱和的状态, 保持了较高的TP去除效率。
溶解性有机物 土壤渗滤 三维荧光光谱 平行因子分析 污水处理厂二级出水 Dissolved organic matter Soil infiltration Three-dimensional excitation-emission matrix fluor PARAFAC Two stage effluent of WWTP 光谱学与光谱分析
2019, 39(4): 1207
1 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
2 中原工学院, 河南 郑州 450007
3 中国环境科学研究院, 北京 100012
4 火箭军后勤科学技术研究所, 北京 100190
利用三维荧光光谱（3D-EEMs）和平行因子分析（PARAFAC）的方法研究了土壤渗滤系统处理模拟高氨氮废水中溶解性有机物（DOM）的垂直分布特征。 试验在一个中试规模的土壤渗滤系统中进行， 反应器自上而下每隔30 cm设置一个采样口， 采集的样品通过PARAFAC识别出系统不同点位的DOM具有四个荧光组分， 包括两个类腐殖质物质（C1， C2）、 2个类蛋白物质（C3， C4）。 相关性分析显示， 四种荧光组分与多数理化指标呈现极显著性正相关关系， 可以用荧光组分浓度间接表征系统对氮、 磷等营养元素的去除效果。 对荧光组分浓度得分Fmax分析得出， 土壤渗滤系统中类酪氨酸最易降解， 其次为类富里酸、 类胡敏酸类物质， 最难以降解的为类蛋白物质。
溶解性有机物 土壤渗滤 三维荧光光谱 平行因子分析 Dissolved organic matter Soil infiltration Three-dimensional excitation-emission matrix fluor PARAFAC 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2549
1 福州大学土木工程学院, 福建 福州 350116
2 重庆市环境材料与修复技术重点实验室(重庆文理学院), 重庆 402160
为探明不同淹没区填料对生物滞留系统的净水效果的影响, 采用三维荧光光谱研究间隙水溶解性有机物的组成成分和时间分布特征。 三维荧光光谱显示, 海绵铁环境间隙水中主要有机组分为微生物代谢产物(Ⅳ), 火山岩与碎砖块中为类腐殖质(Ⅲ+Ⅴ)； 碎石块类腐殖质(Ⅴ)、 简单芳香类蛋白(Ⅰ+Ⅱ)和微生物代谢产物(Ⅳ)； 48 h后海绵铁和碎砖块相关联的水生环境中DOM的荧光峰削弱, 而火山岩和碎石块相关联水生环境中DOM的荧光峰增强。 出水的类腐殖质组分(Ⅲ+Ⅴ)荧光积分体积均有降低(平均58.04%), 芳香类蛋白组分(Ⅰ+Ⅱ)均有上升(平均65.36%)。 海绵铁去除溶解性有机物效果最好(84.52%), 火山岩(77.25%)和碎砖块(77.90%)较好, 碎石块(29.20%)最差。 间隙水中有机物主要来源于微生物的代谢活动(HIX＜4)。 与类腐殖质相反, 芳香类蛋白易被微生物利用, 对微生物代谢活动和硝态氮反硝化有促进作用。 生物滞留系统在设计时宜采用碎砖块和海绵铁填料, 外加碳源宜选用易被微生物利用的有机物。
三维荧光分析 生物滞留系统 填料 溶解性有机物 脱氮 Three-dimensional excitation emission matrix fluor Bioretention Dissolved organic matter Filling Denitrification 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1139
1 广西大学农学院, 广西 南宁 530004
2 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
3 中国环境科学研究院地下水与环境系统创新基地, 北京 100012
联合三维荧光光谱、 紫外光谱和化学还原法, 对洨河人工湿地水体DOC与COD的变化特征以及溶解性有机物(DOM)的来源、 化学结构、 腐殖化程度与氧化还原性质进行研究, 以期为深入揭示DOM在人工湿地中的地球化学行为及其生态环境效应提供科学依据。 结果显示, 河流水体COD 60%以上来自DOC的贡献, 而其经过人工湿地后含量的降低则主要是由有机物中的N, H, S, P元素更容易被去除所导致的, 其贡献率可达65%。f470/520与BIX两种指数共同指示了水体DOM主要由微生物贡献, 表明水体DOM明显受到微生物的降解作用。 三维荧光光谱PARAFAC模型分析显示, 人工湿地水体DOM包含类蛋白和类腐殖质组分, 其中类富里酸和类胡敏酸组分比类蛋白质组分更容易被降解, 类富里酸与类胡敏酸组分具有相似的分解命运。 有色溶解性有机物(CDOM)与荧光溶解有机物(FDOM)具有共源性, 均主要由类腐殖质组成, 二者进入人工湿地后没有产生选择性降解。 水体进入人工湿地后E2/E3, A240～400, r(A, C)与HIX指标没有发生显著变化, 表明人工湿地对水体DOM的腐殖化程度不会产生显著影响。 然而, 人工湿地环境不仅有利于形成还原态的DOM, 促进水体三价铁的还原, 而且可以提高DOM作为电子穿梭体的能力, 这可能与DOM的芳香性碳在人工湿地中能够得以更好保存有关。
溶解性有机物 人工湿地 三维荧光光谱 紫外光谱 氧化还原 Dissolved organic matter Constructed wetland three-dimensional excitation-emission matrix fluor Ultraviolet spectroscopy Redox
1 陕西科技大学资源与环境学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
秸秆还田是秸秆资源化和减量化的主要途径之一, 是国家“十二五”期间的重要政策导向。 还田秸秆能够发生天然腐殖化, 逐步完成溶解性有机质(DOM)的生成和转化过程。 现阶段, 针对黄土地区环境因子对秸秆腐殖化调控作用的研究较少, 从荧光光谱角度分析腐殖化组分与金属离子的结合特性也有待完善。 以荧光光谱法为切入点, 探讨温度和铅离子对秸秆腐殖化DOM三维荧光光谱峰位和峰强的影响, 借助修正型Stern-Volmer方程推算Pb(Ⅱ)-DOM的配位参数, 辅以Van’t Hoff方程揭示结合过程的热力学特性。 结果表明: 腐殖化温度没有引起DOM荧光峰位的明显偏移, 三维荧光光谱中没有发现新荧光峰的出现或已有荧光峰的消失, 荧光峰强随温度的升高而降低。 铅离子浓度的增加导致DOM主要荧光峰强下降, 这是铅离子对DOM组分的荧光猝灭作用。 经修正型Stern-Volmer方程计算可知: 铅离子对可见光区类富里酸组分的配位能力最强, 较大的配位荧光基团比例f值暗示DOM中较多的活性基团与铅离子发生配位作用, 猝灭机理以静态猝灭为主。 配位过程自发、 吸热, 反应体系分子组成的复杂性和无序度较低。 三维荧光光谱能够有效揭示温度和铅离子对秸秆腐殖化DOM性质的影响。
秸秆腐殖化 溶解性有机质 三维荧光光谱 Stern-Volmer方程 Straw humification Dissolved organic matter Three dimensional excitation emission matrix fluor Stern-Volmer equation 光谱学与光谱分析
2015, 35(11): 3117
1 陕西科技大学资源与环境学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
秸秆是农业生产的主要副产物,也是农业面源污染的新源头.秸秆还田能有效解决其减量化和资源化利用问题,国家“十二五”规划已明确提出“加大秸秆还田力度,保障农业的稳产、增产和可持续发展”.现阶段,对于典型地区不同环境条件下还田秸秆腐殖化行为的研究不多,同时对于腐殖化组分的精细化检测和分析也有待加强.针对黄土区秸秆还田问题,以紫外光谱法和荧光光谱法为切入点,分析pH值对腐殖化产物溶解性有机质(Dissolved organic matter,DOM) 性质的影响,深度揭示秸秆腐殖化过程的内在本质.结果表明:在200～700 nm波长范围内,DOM的紫外吸收强度先增加后减小,主要吸收峰出现于240 nm附近.相对于中性(pH 7)体系,酸性(pH 6)和碱性(pH 8和9) 条件下的最大吸收波长λmax值红移.SUVA254,E3/E4和A253/A203比值的规律性变化说明反应体系腐殖化程度较低,这与秸秆腐殖化周期较短有关.黄土浸提液DOM的荧光峰主要位于λex/em=250/330和λex/em=325/450区域,分别归属为紫外区类富里酸荧光峰和可见光区类富里酸和腐殖酸类物质荧光峰.随着腐殖化体系pH值的升高,荧光峰位发生红移,表明DOM苯环结构逐渐增多,共轭度有所增加,同时在λex/em=250/450附近检测到新荧光峰.pH值对荧光强度的影响主要体现在紫外区类富里酸荧光峰,峰强先升高后下降,而对可见光区荧光峰强影响不大,这与浸提液的缓冲效应、荧光猝灭(或副反应)和DOM组分结构有关.紫外光谱和荧光光谱能够一定程度上阐释pH值对秸秆腐殖化DOM性质的影响。
秸秆腐殖化 溶解性有机质 紫外光谱 三维荧光光谱 Straw humification Dissolved organic matter pH pH Ultraviolet spectra Three dimensional excitation emission matrix fluor 光谱学与光谱分析
2015, 35(7): 1933
1 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
2 中原工学院, 河南 郑州 450007
3 中国环境科学研究院地下水与环境系统工程创新基地, 北京 100012
4 第二炮兵工程大学, 陕西 西安 710025
采用三维荧光技术,结合荧光区域一体化积分的分析方法,研究了一个表面流+垂直流复合人工湿地处理两条污染河流废水中水溶性有机物的荧光特征变化,结果表明:(1)该人工湿地中水溶性有机物腐殖质的主要来源为生物代谢输入而非陆源输入;(2)在表面流人工湿地的后段,部分类蛋白类物质转化为类富里酸类物质,表明经过表面流人工湿地处理之后,水溶性有机物的组成成分发生显著变化,并且有机物结构趋于稳定.而垂直流人工湿地对类腐殖酸物质峰具有明显的削弱作用;(3)表面流人工湿地对水溶性有机物的结构转化意义重大,可以显著提高水溶性有机物的稳定性.表面流+垂直流的复合人工湿地工艺对水溶性有机物具有良好的去除效果.
水溶性有机物 三维荧光技术 复合人工湿地 荧光区域一体化积分 Dissolved organic matter(DOM) Three-dimensional excitation emission matrix fluor Combined constructed wetland Fluorescence regional integration(FRI) 光谱学与光谱分析
2015, 35(8): 2212
