文章信息
第一作者：张紫薇
通讯作者：周石磊通讯单位：河北科技大学
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161615
亮点
• 类腐殖质组分含量随着热分层的形成逐渐增高。
• 生物可利用性随着热分层的形成逐渐降低。
• 基于MIC分析研究了DOM与理化因子的相关性。
• CDOM在热分层不同时期均对NO3--N存在指示作用。
研究进展
图文摘要
溶解有机物(DOM)作为全球碳循环的碳源，水库DOM近年来成为研究热点。越来越多的水库成为供水源地，水库水质直接影响城市供水安全。深水型水库表底层的热动力不同，导致水库水体水温垂向分布不均匀，出现热分层现象。水体热分层现象不仅会引起的水温、溶解氧和养分含量等环境因素的变化，也会改变水体DOM的分子性质和转化模式，从而影响水库碳循环。
本文系统地研究了水库水体热分层形成、稳定和消亡各个时期水体、间隙水和沉积物DOM组分的分布、光谱特征、来源信息及其影响因素。研究结果表明，岗南水库在4-10月存在热分层现象，垂向上形成变温层、温跃层、等温层（图1，A）。热分层参数随着热分层的形成也不断变化（图1，B）。本文选取4-5月为热分层形成期，6-8月为热分层稳定期，9月到10月为热分层消亡期，来研究热分层不同时期水质演变特征（图1，C）。在水库热分层的不同时期，CDOM的浓度和组成存在显著差异，但是垂向差异不显著。水体和间隙水中类腐殖质组分荧光强度随着热分层的形成而增加，在沉积物中类腐殖质组分荧光强度在热分层稳定时期含量最高，在热分层消亡期含量最低（图1，D）。
图1 热分层参数和荧光组分的时空分布特征（A,热分层时期温度的时空变化特征；B,热分层参数的分布特征；C,热分层的稳定性；D热分层不同时期水体、间隙水和沉积物的荧光强度分布特征）在热分层不同时期，微生物代谢能力不同，荧光组分在热分层形成期和稳定期存在消耗，在热分层消亡时期荧光组分积累。在热分层形成期，类蛋白质组分的生物利用度（45.38%）高于类腐殖质组分（25.75%）；在热分层稳定期，类腐殖质组分的生物利用度（4.43%）高于类蛋白质组分的生物利用度（3.11%），整体生物利用度均弱于热分层形成期；在热分层消亡时期，类腐殖质组分（-5.17%）比类蛋白质组分（-0.55%）更难被微生物利用。水体中类蛋白质组成与关键理化因子（Fe、Mn、TN、TP和CODMn）在热分层形成期呈显著相关（P<0.05），类腐殖质组分与关键理化因子(NO2--N和TN)在热分层稳定期和消亡期呈显著相关（P<0.05）（图2A-C）。在间隙水和沉积物中，荧光组分与水质因子在热分层稳定时期存在显著相关性（图2D-F）。
图2 热分层不同时期DOM组分与水质因子在水体和间隙水的MIC分析（水体DOM组分与水质因子在热分层形成期(A)、稳定期(B)和消亡期(C)的MIC分析;间隙水DOM组分与水质因子在热分层形成期(D)、稳定期(E)和消亡期(F)的MIC分析）
如表1所示，在水体中，在热分层形成期C1、C5组分对硝氮有指示作用，在热分层稳定期C2和C3组分对硝氮有指示作用，在热分层消亡期C2和C4组分对硝氮有指示作用。在间隙水中，在热分层形成期C5组分对氨氮和TDN有指示作用，在热分层稳定期，C4组分对氨氮有指示作用，在热分层消亡时期C4组分对亚硝氮存在指示作用。在沉积物中，在热分层稳定时期C5组分对氨氮有指示作用，在热分层消亡时期C2组分对TDP存在指示作用。在本研究中，建立了热分层不同时期和不同空间位置的多元回归模型。模型相关系数大，模型精度高。与单个时期的模型相比，更能反映了不同时期的特征，更具有代表性，具有更大的现实意义。
本研究不同于以往对水体分层过程中DOM垂直分布特征的研究，首次探讨了热分层形成期、稳定期和消亡期的DOM特征，增进了对中国北方地区饮用水水库环境演化和DOM迁移和转化的认识，并为水库水质管理提供参考。
表1 岗南水库关键水质参数与DOM组分的多元线性回归模型结果
作者介绍
张紫薇，河北科技大学环境科学与工程学院硕士研究生，主要从事天然水体水质演变及微生物种群调控机制研究。
通讯邮箱：hbkjzw@163.com
周石磊，河北科技大学环境科学与工程学院硕士生导师，主要研究方向为天然水体中典型污染物的迁移转化机制、天然水体功能菌群演变及其环境互作机制、天然水体溶解性有机物的特征解析以及生物可利用性以及好氧反硝化脱氮机理与调控机制，发表学术论文50余篇，其中以通讯/第一作者在Bioresource Technology、Science of the Total Environment、Chemosphere、Journal of Environmental Management等国际著名期刊发表SCI论文14篇，其中1篇高被引论文。先后主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金、中国科学院饮用水科学与技术实验室开放基金等科研项目6项，担任《中国给水排水》、《水利水电技术(中英文)》、Eco-Environment & Health、Watershed Ecology and the Environment 以及iMeta期刊青年编委。
通讯邮箱：ZSLZhouShilei@126.com
