光谱法研究藻源溶解性有机质特性及其与菲/3-甲基菲相互作用及差异

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藻源溶解性有机质(Algogenic Dissolved Organic Matter,A-DOM)作为内源性DOM的主要组成成分,参与水生生态系统碳循环,同时影响着污染物的环境行为与归趋。作为多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)的一类重要衍生物,烷基化 PAHs(Alkylated Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,A-PAHs)广泛存在水体环境中,尤其是溢油污染等区域,其含量和生物毒性通常远高于相应的母环 PAHs(Parent Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,P-PAHs)。其中苯环数为 3~5 环的甲基化 PAHs(Methylated Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,M-PAHs)更是溢油污染区域A-PAHs生物毒性的主要贡献者。水体中PAHs可通过与DOM相互作用改变其环境行为和生物有效性。然而,由于A-DOM的不稳定性和环境行为的复杂性,有关A-DOM对PAHs环境行为影响的研究相对较少,尤其是对A-PAHs环境行为的影响研究更是鲜见报道。A-DOM具有较强的亲水性。烷基化使得A-PAHs分子量增大,疏水性增强,这进一步增加了 A-DOM与A-PAHs相互作用测定的难度。A-DOM的组成和结构具有极端异质性,有关其不同荧光组分在影响PAHs环境行为中的贡献尚不清晰。因此,本文选择菲(Phenanthrene,Phe)和 3-甲基菲(3-Methylphenanthrene,3-MPhe)分别为 P-PAHs 和 A-PAHs 的代表,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)分析法实现对藻类不同生长阶段释放A-DOM与P-PAHs/A-PAHs相互作用行为及差异性研究。A-DOM的特性依赖于藻类生长阶段的变化,也受藻细胞自身生理状态的影响。海洋环境中广泛存在的微塑料(Microplastics,MPs)会对藻细胞生长和代谢产生一定的毒性效应,不可避免地影响A-DOM的释放与性质进而影响PAHs的环境行为,但有关MPs存在下对藻细胞生理状态的影响如何影响藻类释放A-DOM及性质的研究却鲜见报道。因此,初步探究了聚苯乙烯(Polystyrene,PS)微塑料存在下对藻类释放A-DOM及光谱性质的影响。主要研究结果如下:(1)利用紫外-可见(Ultraviolet-Visible,UV-Vis)吸收光谱、EEM-PARAFAC分析法结合荧光猝灭法,探究了东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense,P.donghaiense)在不同生长阶段所释放A-DOM的荧光组分与Phe和3-MPhe相互作用行为及差异,并对相关机制进行了初步的分析。A-DOM中三个主要荧光组分的含量均随着藻类的生长呈增加趋势,但类蛋白质组分所占比例从73.70%下降到59.58%,类腐殖质所占总比例从初始阶段的26.30%增加到40.42%。Pearson相关性分析表明,A-DOM的腐殖化指数(Humification Index,HIX)、芳香性(SUVA254)及疏水性比例(A260)均与类腐殖质组分占比呈显著正相关(p<0.01)。各荧光组分与Phe/3-MPhe的相互作用表现为类腐殖质组分与Phe/3-MPhe相互作用能力明显强于类蛋白质组分。荧光组分的含量变化及相互作用结果揭示了类腐殖质组分在影响A-DOM性质及与Phe/3-MPhe相互作用中发挥重要作用。Phe和3-MPhe与不同生长阶段A-DOM荧光组分的相互作用能力也显著不同。甲基取代增加了 3-MPhe与类腐殖质组分的π-π相互作用及疏水性相互作用,使得3-MPhe与第28天的类腐殖质组分相互作用能力强于Phe。但甲基也增加了 3-MPhe的分子量和空间位阻,从而降低了其与类腐殖质组分在第16天的相互作用能力。(2)利用UV-Vis吸收光谱和EEM-PARAFAC分析法,探究了不同浓度(0、2、5、10、20 mg/L)PS暴露下P.donghaiense生长和光合活性的改变对其整个生长过程中释放A-DOM含量及光谱特性的影响。研究结果表明,短期PS暴露下改变藻细胞生理状态,影响细胞代谢和分泌,减少A-DOM释放。高浓度(20 mg/L)PS暴露第10天时A-DOM的腐殖化程度及疏水性比例分别降低为对照组的57.27%和27.04%。随着培养时间延长,细胞进入正常生长代谢,各荧光组分含量与对照组相比无显著性差异;腐殖化程度和疏水性比例变化减弱,第24天时较对照组分别下降了 17.05%和12.19%。Pearson相关性分析显示,对照组中类蛋白质组分含量与叶绿素a(Chlorophylla,Chl-a)含量具有显著相关性(p<0.01),2 mg/L和10 mg/L PS暴露组中类蛋白质、海洋类腐殖质和长波长类腐殖质组分均表现出与Chl-a含量的正相关性(p<0.05)且10 mg/L PS暴露组中类蛋白质和海洋类腐殖质组分含量与光合活性(Fv/Fm)显著相关(p<0.05)。结果表明不同生长时期,不同浓度PS胁迫下P.donghaiense生长及光合活性的改变会影响A-DOM的荧光组分含量及其特性。本文通过EEM-PARAFAC分析法结合荧光猝灭法实现了分子水平上A-DOM荧光组分与Phe/3-MPhe的相互作用行为及差异探究。证明了 A-DOM中不同荧光组分与PAHs相互作用存在明显差异,甲基取代影响A-PAHs和P-PAHs与不同生长阶段的A-DOM荧光组分的相互作用行为。揭示了动态变化的A-DOM对PAHs环境行为的重要影响,实际环境中也应关注P-PAHs和A-PAHs环境行为的差异。动态变化的A-DOM特性不仅依赖于藻类生长阶段的不同,MPs的存在也会改变A-DOM的释放和特性,明确了 A-DOM特性的改变除受其自身转化和降解的影响,污染物存在下对A-DOM特性的影响也应得到重视,这会进一步导致A-DOM与PAHs的相互作用行为发生改变。
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