蓝藻降解对湖泊水体溶解有机质赋存影响的光谱解析研究

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藻类暴发作为世界范围内备受关注的水环境问题,关系到居民观感、水环境安全以及饮用水安全。藻类生命周期内代谢渗出或细胞自溶裂解可产生藻源性有机质,其在水华暴发期间大量存在于水体中,并在天然有机质中占有相当高的比重。近年来随着流域经济的快速发展,巢湖富营养化不断加剧,湖泊蓝藻水华频繁发生,水生态环境严重恶化。本研究通过野外采集巢湖西半湖上覆水样和沉积样,分析巢湖水体中营养盐的时间变化特征;并对蓝藻暴发后期上覆水和沉积物间隙水中溶解有机质含量、组分和腐殖化特性进行了分析。通过室内模拟水-藻、水-藻-沉积物实验,以紫外可见光谱和三维荧光光谱为主要分析手段,系统研究了蓝藻降解对水体溶解有机质赋存的影响,主要研究结果如下:巢湖西半湖逐月采集的表层水中TP含量0.03~0.18 mg/L,年均值0.07 mg/L;TN含量0.26~3.7 1mg/L,年均值1.67 mg/L;叶绿素a含量9~95μg/L,年均值28.5μg/L;氨氮0.02~0.69 mg/L;高锰酸盐指数含量2.4~8.5 mg/L,年均值3.64 mg/L;水质超过地表水Ⅳ类水标准。水体中CODMn、TP含量一般夏秋两季浓度值相对较高、春冬两季较低,氮磷营养盐与水体中叶绿素a呈负相关性,水体中藻类植物的生长会影响湖泊中营养盐含量。溶解有机质光谱分析表明:间隙水中DOM含量、芳香性和腐殖化程度均高于上覆水。通过EEM-PARAFAC分析水样三维荧光光谱,上覆水和间隙水中DOM荧光组分均为微生物源类腐殖质(C1)和类蛋白质(C2)以及类腐殖质(C3)。三维荧光特征参数分析表明上覆水和间隙水中DOM均以自生源贡献为主,微生物活动对DOM组成和含量有较大影响。水-藻两相模拟实验表明:紫外可见光谱的α355、SUVA254、SR、E2/E3参数显示实验初期蓝藻生长导致上覆水中芳香性以及大分子物质增加;随着蓝藻的光降解和微生物降解进程的发生,上覆水中大分子有机质被分解成小分子物质,致使水中DOM含量显著变化。EEM-PARAFAC分析得出上覆水荧光组分为微生物源类腐殖质(C1)和类蛋白质(C2)以及类腐殖质(C3);模拟实验过程中,上覆水水样的DOC浓度平均值为19.66 mg/L(范围:8.82~26.12 mg/L),DOC浓度呈上升趋势并在实验第16 d达到峰值26.12 mg/L,随后一直呈现下降趋势直到实验结束,从26.12 mg/L下降至21.05 mg/L,DOC含量初期上升可能与实验开始蓝藻生长有关,实验中后期随着蓝藻降解衰亡和沉降,水体DOM受光降解和微生物降解以及水体颗粒物的吸附沉降,含量出现降低。实验过程中,溶解有机质的C1组分从44%上升至64%,C2组分从17%下降至8%,C3组分从39%下降至28%,说明类色氨酸蛋白质容易被降解,同时微生物分解类腐殖质物质的过程中可以释放微生物源类腐殖质。水-藻-沉积物三相模拟实验表明:紫外可见光谱的α355、SUVA254、SR、E2/E3参数显示上覆水和间隙水的芳香性以及腐殖化程度都出现增强。三相系统降解周期内上覆水水样的DOC浓度平均值为22.19 mg/L(浓度范围:11.76~48.54 mg/L),DOC浓度在模拟初期出现极大值并均呈现显著递减趋势,这可能与底泥存在下微生物作用更强和蓝藻初期就快速死亡有关,间隙水DOC浓度初始浓度26.83 mg/L下降至最终值12.14 mg/L,实验第16 d呈现小幅上升后一直下降,实验后期上覆水和间隙水中DOC浓度趋近,说明藻降解显著增加水体有机质赋存并影响着沉积物-水界面物质通量。EEM-PARAFAC分析表明光降解和微生物降解过程中,上覆水中和间隙水中DOM荧光组分为微生物源类腐殖质(C1)和类腐殖质(C2)以及类蛋白质(C3)。上覆水DOM内源特征明显且具有较强的腐殖质特征,而间隙水中DOM主要以自生源贡献为主同时具有明显腐殖质特征。随着实验时间增加,上覆水中腐殖质物质比例开始不断增加,而类蛋白质物质出现大幅降低。其中C1所占比例上升了29%,C2所占比例上升9%,说明类蛋白质物质容易被生物利用转化为其他小分子物质,微生物会代谢产生微生物源腐殖质物质,与野外实验分析结果一致。
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