三维荧光光谱结合平行因子分析在大辽河溶解有机质研究中的应用

摘要

本文围绕大辽河及其河口区丰水期和平水期两个采样季水样展开溶解有机质(DOM)的研究。应用三维荧光光谱(EEMs)结合平行因子分析（PARAFAC），相关光学指数，主成分分析(PCA)来研究季节、水文条件、环境过程对溶解有机质动力学的影响，从时间和空间的角度连续分析该水域的溶解有机质特征，并通过水样存放条件验证PARAFAC模型稳定性。现场测定结合实验室模拟UVA光照实验，深入探讨陆源输入，微生物作用，光降解和人类活动的复杂性对DOM荧光强度的影响。为了进一步理解DOM在环境过程中的变化，建立模型化合物实验，分析UVA光照作用下，荧光溶解有机质(FDOM)中常见荧光组分色氨酸(Try)的标准物与天然有机质(NOM)标准物的相互作用。本文的研究成果包括以下三个方面:
　　（一）对大辽河及其河口区两个不同采样季表层水样分析，将两个PARAFAC模型得到的FDOM组分(C1-C6 vs.P1-P5)进行对比发现:在每个季节，一些陆源类腐殖质组分（丰水期C3-C5或者平水期P2-P4）动力学过程，主要由同样的环境过程控制。另外，UVA光照实验表明:除了主要环境过程，太阳的紫外辐射可能是影响FDOM组分的第二个重要过程。这个发现强调了PARAFAC模型和光照实验的结合，对河流及其河口区，陆源类腐殖质动力学研究的有效性。另外，在UVA光照实验中，DOM发生光降解释放铵氮这一过程也被实验所证实。
　　（二）大辽河及其河口区丰水期和平水期水样保存9个月后的PARAFAC模型，分别与初始水样PARAFAC模型对比，发现光谱形状和组分保持一致，组分荧光强度有所差异，没有新类型的FDOM组分产生;DOC基本没有明显变化说明好氧微生物的呼吸作用很弱。丰水期水样保存9个月后腐殖化指数(HIX)和生物源指数(BIX)与保存前相比均基本不变，说明保存后水样的荧光指纹仍可以代表水样的原始状态。另外，丰水期水样保存后，水样平均吸光度降低，与分子量有关的光学指数光谱斜率S275-295升高，说明保存后分子量会降低。与芳香性有关的比紫外吸收系数SUVA254值降低;而平水期水样保存9个月后腐殖化指数(HIX)增加，生物源指数(BIX)与保存前相比基本不变，吸光度基本不变，S275-295降低，SUVA254基本不变，说明分子量增加，但芳香性没有发生变化。实验证实了水样经0.45μm膜(Millipore)过滤，避光4℃条件下，保存9个月后PARAFAC模型仍稳定。
　　（三）实验室模拟UVA光照模型化合物Try-NOM体系，分别以单独光照色氨酸或NOM溶液作为对照实验，利用EEMs结合PARAFAC方法确定FDOM组分，分析荧光信号变化，研究UVA诱导下，色氨酸与NOM的相互作用。结果表明:单独光照色氨酸确定了两个组分:纯色氨酸C1和类腐殖质C2;单独光照NOM确定两个类腐殖质组分HS-1和HS-2;混合后应用两种PARAFAC模型:一种为未提前假定组分和光谱特征的PARAFAC，确定了三个组分为C1，C2和不同于HS-1和HS-2的新类腐殖质组分HS-3;另一种是将之前已确定组分的单独色氨酸和NOM溶液结合为复合模型，确定组分C1，C2，HS-1和HS-2都存在，混合后无新的FDOM组分产生。荧光强度与光照时间的关系表明:UVA光照下，NOM促进色氨酸的光漂白和新FDOM组分光产物的生成;色氨酸促进NOM中类腐殖质荧光信号产生。因此在追溯DOM来源和类腐殖质动力学过程时，需要考虑类色氨酸的动力学过程。

目录

声明

摘要

缩写符号说明

引言

一 溶解有机质研究综述

1．1 溶解有机质及其研究意义

1．2 溶解有机质的光学性质

1．3 三维荧光光谱的发展和平行因子分析的应用

1．4 天然水体中溶解有机质的主要成分

1．5 溶解有机质的来源

1．6 本文选题意义及研究主要内容

二 实验部分

2．1 仪器和试剂

2．2 样品采集与处理

2．3 水质参数测定

2．4 光谱测定

2．5 溶解有机质光化学实验

2．5．1 大辽河水样UVA光照模拟实验

2．5．2 色氨酸与天然有机质的UVA光照模拟实验

2．6 数据分析

2．6．1 紫外可见吸收数据分析

2．6．2 三维荧光光谱与平行因子分析法

2．6．3 腐殖化指数(HIX)与生物源指数(BIX)

2．6．4 主成分分析

2．6．5 其他数据分析方法

三 大辽河水体河流河口区陆源腐殖质的动力学研究

3．1 样品采集与测定

3．2 实验结果

3．2．1 水质参数与光谱数据

3．2．2 PARAFAC模型确定水样FDOM荧光成分

3．3 讨论

3．3．1 季节对样品光学信号的影响

3．3．2 两个采样季溶解有机碳(DOC)与盐度的关系对比

3．3．3 每个采样季组分相关性分析

3．3．4 PCA阐释影响两个季节FDOM组分荧光信号的主要因素

3．3．5 UVA光照FDOM组分的荧光强度变化分析

3．3．6 UVA光照FDOM的铵氮释放初步分析

3．4 小结

四 大辽河两个采样季水样存放后的FDOM研究

4．1 样品采集与保存

4．2 结果与讨论

4．2．1 初始水样和经保存后的水样FDOM成分荧光信号分析

4．2．2 初始水样和经保存后的水样FDOM紫外吸收变化分析

4．3 小结

五 UVA光照下色氨酸与天然溶解有机质的相互作用研究

5．1 样品预处理与实验条件

5．2 实验结果

5．2．1 UVA光照后Try-NOM体系的紫外吸收特征

5．2．2 UVA光照后Try-NOM体系FDOM成分确定

5．2．3 UVA光照时间与Try-NOM体系FDOM的PARAFAC分值的关系

5．3 讨论

5．3．1 紫外可见吸收光谱解释UVA光照下色氨酸与NOM的结合

5．3．2 UVA光照对Try-NOM体系FDOM荧光信号的影响

5．3．3 UVA光照实验对表层水体研究的意义

5．4 小结

六 结论与展望

参考文献

附录

致谢

硕士期间论文发表情况