光谱法研究藻类内源性DOM特性及对其与多环芳烃结合行为的影响

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溶解性有机质(Dissolved Organic Matter, DOM)是水环境中一类复杂的溶解性有机混合物,按其来源可分为内源性和外源性DOM。藻类(本文主要指代微藻)内源性DOM是水中DOM主要来源,其在生源要素的生物地球化学循环过程中起重要作用。多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一类在环境中广泛分布的持久性有机污染物,其可对藻类生长及代谢产生毒害作用,但有关PAHs对藻类释放内源性DOM的影响研究鲜见报道。此外,DOM可与PAHs结合影响其环境行为和生物毒性效应,而有关藻类内源性DOM与PAHs相互作用研究尚不多见。因此,有必要研究PAHs对藻类释放内源性DOM的影响,及藻类内源性DOM与PAHs相互作用。本文主要针对这两方面内容做了部分研究,具体如下:  (1)利用激发-发射矩阵(Excitation-Emission Matrix,EEM)荧光光谱结合平行因子(Parallel Factor, PARAFAC)(EEM-PARAFAC)分析法,研究不同浓度荧蒽(0、2、10、20、40和110μg L-1)对中肋骨条藻(Skeletonema costatum)生长及其培养过程中释放内源性DOM(S.costatum-DOM)浓度及荧光特性的影响。结果表明,较低浓度荧蒽(2和10μg L-1)存在时促进中肋骨条藻生长,但110μg L-1荧蒽条件下,则显著抑制其生长。荧蒽胁迫下中肋骨条藻培养液经EEM-PARAFAC分析共鉴定出5个主要荧光组分,分别为荧蒽C(1-1)(λex/λem=285,360 nm/468 nm)、荧蒽与类腐殖质混合荧光组分C(1-2)(λex/λem=260 nm/354,468nm)、类蛋白质(类色氨酸)荧光组分C(1-3)(λex/λem=280 nm/330 nm)、类蛋白质(类酪氨酸)荧光组分C(1-4)(λex/λem=265 nm/316 nm)及类腐殖质荧光组分C(1-5)(λex/λem=300,335 nm/448 nm)。首次将激光诱导纳秒时间分辨荧光(Laser-Induced Nanosecond Time-Resolved Fluorescence,LITRF)光谱结合PARAFAC(LITRF-PARAFAC)分析研究了荧蒽暴露下中肋骨条藻释放内源性S.costatum-DOM荧光特性。同样识别出中肋骨条藻培养液中含有5个主要荧光组分,分别为荧蒽c1(λex/λem=266 nm/463.87 nm)、类蛋白质荧光组分c2(λex/λem=266 nm/321.96 nm)和c3(λexm=266 nm/329.73 nm)及类腐殖质荧光组分c4(λex/λem=266 nm/358.89,465.81 nm)和c5(λex/λem=266 nm/458.04 nm)。EEM-PARAFAC和LITRF-PARAFAC两种方法所得总类蛋白质荧光组分和总类腐殖质荧光组分变化趋势一致。对照组S.costatum-DOM中类蛋白质荧光组分强度高于荧蒽处理组,而荧蒽与C(1-3)和C(1-4)可发生相互作用,导致难以区分荧蒽对藻细胞释放类蛋白质荧光组分间的相互影响。但在一定浓度范围内(2-40μgL-1)荧蒽可促进藻细胞产生类腐殖质荧光组分。此外,培养至第6天,中肋骨条藻释放的溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)含量随荧蒽浓度增加呈现先增加后降低趋势。综上可知,荧蒽可影响中肋骨条藻释放内源性S.costatum-DOM特性及浓度。  (2)利用紫外可见(Ultraviolet-Visible,UV-vis)吸收光谱法及EEM-PARAFAC分析法研究铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)不同生长阶段释放的内源性DOM(M.aeruginosa-DOM)光谱特性及其与芘相互作用,并探讨了M.aeruginosa-DOM各光谱特性参数和芘结合能力间的相关性。M.aeruginosa-DOM光谱特性及芘的结合能力随其生长呈动态变化。皮尔森相关分析表明,芘的结合系数KDOC与M.aeruginosa-DOM腐殖化指数(Humification Index,HIX)呈显著正相关,而与其自生源指数(Biological Index,BIX)和E2/E3(吸收系数在250 nm和365 nm处比值)呈显著负相关。类蛋白质荧光组分C(2-1)(λex/λem=280 nm/332nm)和长波激发类腐殖质荧光组分C(2-2)(λe/λem=255,370 nm/460 nm)在M.aeruginosa-DOM与芘结合能力中分别起负向和正向效应。主成分分析(PrincipalComponent Analysis,PCA)结果进一步表明M.aeruginosa-DOM腐殖化程度是影响其与芘结合能力重要因素。  (3)利用UV-vis吸收光谱法及荧光光谱法研究有氧和缺氧条件下紫外线A波段(UV-A)辐照对铜绿微囊藻胞内溶解性有机质(Intracellular Dissolved OrganicMatter, IDOM)(M.aeruginosa-IDOM)光降解,并考察了光降解对其与芘结合能力的影响。结果表明,有氧组M.aeruginosa-IDOM经6天光降解后,其DOC浓度及吸收系数a355分别降低了51.4%和88.8%,缺氧组中则分别减少了48.2%和76.3%。有氧及缺氧条件下M.aeruginosa-IDOM光降解过程中,其E2/E3变化相似,但254 nm处比紫外吸收值(SUVA254)变化不同。EEM-PARAFAC分析显示M.aeruginosa-IDOM于光降解实验结束时,有氧组中类蛋白质荧光组分C(3-1)、长波类腐殖质荧光组分C(3-2)及短波类腐殖质荧光组分C(3-3)分别降为初始量值的13.3%、41.7%和11.4%;缺氧组中各荧光组分变为初始量值的22.9%、53.0%和125.6%。有氧组中M.aeruginosa-IDOM的DOC、a355及C(3-1)光降解半衰期均短于缺氧组。此外,有氧光降解过程中M.aeruginosa-IDOM与芘结合能力下降,至实验结束时KDOC为初始量值的29.2%;缺氧光降解过程中M.aeruginosa-IDOM与芘结合能力先下降后升高,至实验结束时KDOC较初始量值升高23.3%。  (4)利用光谱法研究有氧及缺氧条件下M.aeruginosa-IDOM在10天内微生物转化行为,并考察了微生物转化对其与芘结合能力的影响。结果显示,有氧组M.aeruginosa-IDOM微生物转化过程中其DOC逐渐下降,至实验结束时其浓度降为初始量值的33.9%;缺氧组中前4天DOC浓度减少至初始量值的56.6%,随后上升至初始量值的78.8%。M.aeruginosa-IDOM降解过程中其SUVA254、E2/E3、HIX及类蛋白质荧光组分C(4-1)、长波激发类腐殖质荧光组分C(4-2)和短波激发类腐殖质荧光组分C(4-3)等特性变化在有氧和缺氧组中存在一定差异。有氧和缺氧条件下M.aeruginosa-IDOM均可经微生物转化提升其与芘的结合能力,至实验结束时KDOC分别是初始量值的294.9%和228.3%。有氧条件下SUVA254、HIX及C(4-2)百分比含量(%C(4-2))与KDOC呈显著正相关,%C(4-1)与KDOC呈显著负相关。然而,缺氧条件下所测光谱指标与KDOC均无显著相关性。该结果表明M.aeruginosa-IDOM微生物转化过程中,其与芘结合能力与M.aeruginosa-IDOM微生物转化程度及特性有关。  (5)腐植酸(Humic Acid,HA)是DOM中重要组成部分,本文基于PARAFAC分析的LITRF猝灭法原位研究典型PAHs芘和菲单独及混合状态下与商品化Aldrich HA相互作用。实验表明,在λex=266 nm下芘、菲及HA三者的LITRF光谱相互重叠,无法直接同时测定混合组分中游离芘和菲荧光强度。利用PARAFAC分析可有效消除HA荧光干扰,获取混合溶液LITRF光谱中芘和菲荧光强度及各自荧光衰减曲线,并以Freundlich吸附等温模型描述PAHs与HA的结合特性。结果验证了芘和菲与HA以非线性形式结合;芘和菲共存时,两者与HA结合存在竞争关系。加入竞争吸附质后,芘和菲与HA的吸附等温线非线性程度减弱,单点结合系数下降,且竞争强度随竞争吸附质浓度增加而增强。此外,LITRF-PARAFAC猝灭法与传统荧光猝灭法所得单组分芘和菲与HA结合特性无显著差异。猝灭速率常数及荧光寿命分析反映出芘和菲与HA间荧光以静态猝灭形式为主。LITRF-PARAFAC猝灭法可快速原位研究混合组分PAHs与HA相互作用,有助于原位预测和评估PAHs的环境行为及其生态风险。
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