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1 第 ３９ 卷第 ９ 期 环 境 科 报 Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ ２０１９ 年 ９ 月 Ｖｏｌ ３９ Ｎｏ ９ Ｓｅｐ ２０１９ ＤＯＩ １０ １３６７１ ｊ ｈｊｋｘｘｂ ２０１９ ０１９０ 龚贵清 唐兴萍 孙涛 等 ２０１９ 不同类型 ＤＯＭ 对三峡库区消落带土壤汞甲基化的影响 Ｊ 环境科报 ３９ ９ ３０７３ ３０７９ Ｇｏｎｇ Ｇ Ｑ Ｔａｎｇ Ｘ Ｐ Ｓｕｎ Ｔ ｅｔ ａｌ ２０１９ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＤＯＭｓ ｏｎ ｍｅｒｃｕｒｙ ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｉｌ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｒｅａ Ｊ Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ ３９ ９ ３０７３ ３０７９ 不同 类 型 ＤＯＭ 对 三 峡 库 区 消 落 带 土 壤 汞 甲 基 化 的 影响 龚贵清１ 唐兴萍１ 孙涛１ 马尉斌１ 许安全１ 王永敏１ 王定勇１ ２ 报 １ 西南大资源环境院 重庆 ４００７１５ ２ 重庆市农业资源与环境研究重点实验室 重庆 ４００７１６ 摘要 三峡水库特殊的调度方式导致了消落带的形成 在落干期 消落带上会生长大量以狗牙根为主的植物 在淹没期 狗牙根会发生腐解并释 放出溶解性有机质 Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍａｔｔｅｒ ＤＯＭ 消落带作为汞的敏感区 狗牙根释放的 ＤＯＭ 对汞甲基化的影响值得关注 为此 本文以狗 牙根提取液中的 ＤＯＭ 记为 ＤＯＭ ｇ 为研究对象 同时选取猪粪中的 ＤＯＭ 记为 ＤＯＭ ｚ 作为比较 利用室内模拟实验 研究这两种不同类型的 ＤＯＭ 对土壤汞甲基化影响的差异 并分析两种 ＤＯＭ 的光谱特征 探讨其作用机制 结果表明 两种 ＤＯＭ 的光谱特征存在明显的差异 ＤＯＭ ｚ 的 有色可溶解性有机物 Ｃｈｒｏｍｏｐｈｐｒｉｃ Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍａｔｔｅｒ ＣＤＯＭ 浓度 芳香性及疏水性组分都高于 ＤＯＭ ｇ 同时 两种 ＤＯＭ 均以类蛋白组分 为主 但 ＤＯＭ ｚ 的生物可利用性高于 ＤＯＭ ｇ 并且这两种 ＤＯＭ 均能促进土壤的汞甲基化 且在培养后期促进效果更加显著 但两种 ＤＯＭ 的促进 关键词 汞 甲基化 溶解性有机质 消落带 三峡库区 文章编号 ０２５３ ２４６８ ２０１９ ０９ ３０７３ ０７ 效果存在差异 ＤＯＭ ｚ 的促进效果优于 ＤＯＭ ｇ 中图分类号 Ｘ５３ 文献标识码 Ａ 境 科 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＤＯＭｓ ｏｎ ｍｅｒｃｕｒｙ ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｉｌ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｒｅａ ＧＯＮＧ Ｇｕｉｑｉｎｇ１ ＴＡＮＧ Ｘｉｎｇｐｉｎｇ１ ＳＵＮ Ｔａｏ１ ＭＡ Ｗｅｉｂｉｎ１ ＸＵ Ａｎｑｕａｎ１ ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇｍｉｎ１ ２ ＷＡＮＧ Ｄｉｎｇｙｏｎｇ１ ２ １ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１５ ２ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１６ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｈａｓ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ＷＬＦＺ Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐｌａｎｔｓ ｄｏｍｉｎａｔｅｄ ｂｙ Ｃｙｎｏｄｏｎ ｄａｃｔｙｌｏｎ Ｌ ｇｒｏｗ ｏｎ ｔｈｅ ＷＬＦＺ ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｎｄ ｒｅｌｅａｓｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ＤＯＭ ｉｎｔｏ ｓｏｉｌ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｏｒ ｗａｔｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ Ｈｏｗｅｖｅｒ ｌｉｔｔｌｅ ｉｓ ｋｎｏｗｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＤＯＭ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｂｙ Ｃｙｎｏｄｏｎ ｄａｃｔｙｌｏｎ Ｌ ｏｎ ｍｅｒｃｕｒｙ ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ Ｔｈｕｓ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ＤＯＭ ｆｒｏｍ Ｃｙｎｏｄｏｎ ｄａｃｔｙｌｏｎ Ｌ ｎａｍｅｄ ａｓ ＤＯＭ ｇ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ 环 ｏｂｊｅｃｔ ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ＤＯＭ ｆｒｏｍ ｐｉｇ ｍａｎｕｒｅ ｎａｍｅｄ ａｓ ＤＯＭ ｚ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ＤＯＭ ｏｎ ｓｏｉｌ ｍｅｒｃｕｒｙ ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｓｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ＤＯＭ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｈｒｏｍｏｐｈｐｒｉｃ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ＣＤＯＭ ａｒｏｍａｔｉｃ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ＤＯＭ ｚ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ＤＯＭ ｇ Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ＤＯＭｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｌｉｋｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ｂｕｔ ｔｈｅ ｂｉｏａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＤＯＭ ｚ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ＤＯＭ ｇ Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｂｏｔｈ ＤＯＭｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｍｏｔｅ ｍｅｒｃｕｒｙ ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｔｅｒ ｃｕｌｔｕｒｅ ｓｔａｇｅ Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ＤＯＭｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＤＯＭ ｚ ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ＤＯＭ ｇ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｍｅｒｃｕｒｙ ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｒｅａ １ 了解 人们发现 Ｈｇ 是一种具有全球污染性的有毒 引言 Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ 自 ２０ 世纪 水俣病 事件以来 汞 Ｈｇ 污染问 题引起了科家的持续关注 随着对 Ｈｇ 污染的深入 收稿日期 ２０１９ ０４ １４ 修回日期 ２０１９ ０５ １３ 重金属 其无机态在自然环境中能被转化为甲基汞 ＭｅＨｇ 孙涛等 ２０１８ 而 ＭｅＨｇ 具有亲脂性 高 神经毒性 可在生物体内积累 能够通过生物链危 录用日期 ２０１９ ０５ １３ 基金项目 国家自然科基金面上项目 Ｎｏ ４１８７７３８４ ４１３７３１１３ 作者简介 龚贵清 １９９４ 男 Ｅ ｍａｉｌ ４３４６１９０９８ ｑｑ ｃｏｍ 责任作者 Ｅ ｍａｉｌ ｄｙｗａｎｇ ｓｗｕ ｅｄｕ ｃｎ

2 3074 环境科报 39 卷 害人体健康. 研究指出, 自然环境中汞的甲基化反应 受到诸多因素的影响, 如微生物群落 DOM ph 氧 化还原电位等 ( Macalady et al.,2000; Ullrich et al., 2001). 其中,DOM 被认为是影响汞甲基化的重要因 素. 但由于 DOM 的结构和成分十分复杂, 其对汞甲 基化的影响尚未得到较一致的结论 : 一方面 DOM 可与 Hg 结合, 降低可供甲基化的汞离子浓度, 抑制 MeHg 的生成 ; 另一方面, 还可为微生物提供碳源, 提高汞甲基化微生物的活性, 促进 MeHg 的生成 (Bravo et al.,2017). 而随着对 DOM 的认识, 有研究 指出 DOM 对汞甲基化的影响主要取决于其自身的 结构组成与特性 (Bravo et al.,2017) 水库被认为是典型的 汞敏感生态系统 ( Lucotte et al., 1999; 覃蔡清等, 2015; 游蕊等, 2016), 水库环境有利于汞的活化及甲基化, 被淹没 的土壤和植被释放的有机质为汞甲基化微生物提 供了良好的生长环境, 是新建水库水体和鱼体中 MeHg 的重要来源 (Jackson,1986; 李楚娴等,2014). 因此, 汞在水库生态系统中的环境行为成为了国内 外者研究的热点问题之一. 三峡水库属特大型年调节水库, 运行水位在 145 ~ 175 m 之间, 特殊的调度方式使得水库周边形 成了垂直高差为 30 m 面积超过 400 km 2 的消落带 ( 牛志明等,1998). 在落干期, 消落带会长出大量以 狗牙根为主的草本植被 ; 同时, 部分裸露区域会被 用作农业用地, 灌溉施用以猪粪为主的生物有机 肥 ; 在淹水期, 植物发生腐解的同时向水中释放了 大量的 DOM 和氮 磷等物质, 一方面可以为微生物 的生长提供营养成分, 另一方面也会改变水体的 DOM 组成和结构, 并可能影响环境中汞的赋存形态 和甲基化作用 ( Xiao et al.,2017). 尹德良等 (2018) 通过室内模拟实验, 发现狗牙根淹水后会释放低分 子有机酸, 同时改变了上覆水 DOM 紫外 荧光光谱 特性, 提高了有色 DOM 的浓度. 目前, 关于三峡库区 消落带 DOM 光谱特征的研究指出, 三峡库区土壤 中的 DOM 成分来源复杂广泛 ( 李璐璐等,2014; 高 洁等,2015; 王齐磊等,2016), 但有关三峡库区消落 带沉积物中 DOM 对汞甲基化的影响仍然了解较少. 因此, 本实验以采集自三峡库区消落带的代表性土 壤作为研究对象, 采用室内模拟的方式研究不同类 型 ( 狗牙根和猪粪 ) 的 DOM 对土壤汞甲基化的影 响, 以期为正确认识三峡库区汞的环境生物地球化 循环及其生态风险提供科的基础数据. 2 材料与方法 (Materials and methods) 2.1 样品的制备 供试土壤采自重庆市忠县石宝寨消落带的表 层土 (0 ~ 20 cm). 土壤采回经风干 磨碎后, 过 2 mm 筛备用. 供试土壤为冲积土, 基本理化性质如下 : 总 汞 (THg) 含量为 80.5 ng g -1, 甲基汞 (MeHg) 含量为 pg g -1, 土壤 ph 值为 7.34, 有机质 (SOM) 含量 为 g kg -1, 阳离子交换量 ( CEC ) 为 cmol kg -1. DOM 的提取参照相关文献 (Baham et al.,1983; 陈同斌等, 2002) 中的方法. 狗牙根采自三峡库区消 落带, 先用去离子水冲洗狗牙根, 然后按 1 10 的质 量比将狗牙根放置于去离子水中, 并在 25 下恒温 浸泡发酵 7 ~ 8 d, 发酵液过 0.45 μm 滤膜, 滤液即为 DOM g 溶液. 新鲜的猪粪采自周边养殖场, 采回的样 品经自然风干 磨碎后过 0.5 mm 筛, 取适量样品于 三角瓶中, 按 1 20 的比例加入超纯水, 在室温下以 220 r min -1 的速度振荡 12 h, 然后离心分离, 转速为 3500 r min -1, 时间为 20 min, 取上清液过 0.45 μm 的滤膜, 滤液即为 DOM z 溶液. 两种提取液均保存于 4 冰箱中待用, 其基本性质如表 1 所示. Table 1 DOM 类型 表 1 DOM g DOM z 的基本性质 The basic properties of DOM g and DOM z ph DOM / (mg kg -1 ) DTHg / (ng L -1 ) DOM g DOM z 实验设计与样品测定 称取 g 土壤于 200 ml 洁净的硼硅玻璃瓶 中, 添加 250 ng Hg(NO 3 ) 2 溶液, 再分别加入不同浓 环境科报 度的两种 DOM 提取液 ( 添加到土壤中的 DOM 浓度 梯度分别为 mg kg -1 ), 然后按土水比 3 1 加入一定量的超纯水, 放入 25 的恒温培养箱 中避光培养, 分别在 h 时取样, 每组 3 个平行, 并测定土样中的 DOM 浓度 ( 用溶解 性有机碳 ( DOC) 浓度表示 ) MeHg 含量 THg 及溶 解态总汞 (DTHg). 取样时, 土样装入干净的自封袋 中, 真空冷冻干燥后, 用玛瑙研钵磨细过 100 目筛, 冷藏待测. 紫外 可见吸收光谱和三维荧光光谱均采用 Horiba 公司的 Aqualog 荧光光谱仪进行测定. 紫外 可见吸收光谱的测定方法 : 将 Milli Q 水

3 9 期龚贵清等 : 不同类型 DOM 对三峡库区消落带土壤汞甲基化的影响 3075 (18 MΩ cm) 作为空白, 用 10 mm 石英比色皿在 230 ~ 800 nm 范围内扫描, 波长间隔 1 nm, 用 355 nm 处的吸收系数 α (355) 表示 CDOM 的相对浓度, 相关 参数如下所述. 吸收系数 α (355) = 2.303D (355) / r( Bricaud et al., 1981), 其中, D (355) 为吸光度, r 为光程路径 ( m), α (355) 通常用来表示 CDOM 的相对浓度 (Hong et al., 2005; 刘明亮等,2009; 闫丽红等,2013). SUVA 254 = α (254) / DOC( 苏冬雪等, 2012), 其中, α (254) 为 254 nm 波长处的吸收系数,DOC 为溶解性 有机碳浓度 (mg L -1 ),SUVA 254 用来表征 DOM 芳香 性的强弱 (Weishaar et al.,2003). SUVA 260 = α (260) / DOC( 苏冬雪等, 2012), 其中, α (260) 为 260 nm 波长处的吸收系数,DOC 为溶解性 有机碳浓度 (mg L -1 ),SUVA 260 用来表征 DOM 疏水 性组分含量 (Jaffrain et al., 2010). 三维荧光光谱方法 : 将 Milli Q 水作为空白, 激 发波长 (λ Ex ) 的范围为 230 ~ 450 nm, 增量为 5 nm; 发射波长 ( λ Em ) 的范围为 250 ~ 620 nm, 积分时间 3 s, 光源为 150 W 无臭氧氙弧灯,Aqualog 系统自动 校正瑞利和拉曼散射. 相关荧光参数如下所述 : 荧光 指数 ( Fluorescence index,fi) 为激发波长为 370 nm 时, 荧光发射强度在发射波长为 470 nm 与 520 nm 处的比值 ( f 470/ 520 ) ( Cory et al.,2005). 腐殖化指数 (Humification index,hix) 为激发波长为 254 nm 时, 发射波长在 435 ~ 480 nm 间的区域积分值 ( 435 ~ 480 ) 与 300 ~ 345 nm 间区域积分值 ( 300 ~ 345 ) 的比值 ( Zsolnay et al., 1999 ). 自生源指数 (Autochthonous index, BIX) 为激发波长为 310 nm 时, 荧光发射强度在发射波长为 380 nm 与 430 nm 处的比值 (f 380/ 430 )(Huguet et al.,2009). 土样 THg 使用 Milestone 公司 DMA 80 测汞仪 DOM 类型 Table 2 表 2 直接测定, 仪器检出限为 0.5 ng g -1 ; 土样 MeHg 采 用萃取 乙基化结合气相色谱 ( GC) 冷原子荧光法 (CVAFS) ( 何天容等, 2004) 测定, 检出限为 0. 6 pg g -1 ; 土样 DTHg 采用金汞齐 冷原子荧光法 ( 仇广 乐等,2004) 测定, 检出限为 0.01 ng L -1 ; 水样 DOC 浓 度经 0.45 μm 滤膜过滤后采用 Sievers Innovox 总有机 碳 (TOC) 分析仪测定, 仪器检出限为 0.03 μg L 质量控制与数据处理 实验中所用的玻璃器皿均在 25%(V / V) 硝酸溶 液中浸泡 24 h 以上, 然后用超纯水清洗, 在 450 下灼烧 30 min 后使用. 实验中所用试剂均为优级纯 或色谱纯, 分析过程采用空白试验 平行试验和标 准物质回收率等进行质量控制.THg 的加标回收率 在 93% ~ 105% 之间, 样品重复测定相对标准偏差 (RSD) < 5%, MeHg 样品的加标回收率在 90% ~ 120% 之间, RSD < 8%. 实验数据用 Excel2010 SPSS19.0 进行处理和分析, 图形绘制用 Origin9. 0 进行. 3 结果与讨论 (Results and discussion) 3.1 不同 DOM 的光谱特征 如表 2 所示,DOM g 和 DOM z 提取液的 α (355) 分别 为 m -1,DOM z 的 α (355) 值是 DOM g 的 2.55 倍, 说明 DOM z 提取液中含有较多的共轭双键生色 团. DOM z 的 SUVA 254 和 SUVA 260 分别为 和 2.519, 均高于 DOM g ( SUVA 254 = , SUVA 260 = 1.805), 说明 DOM z 的芳香性更强, 所含的疏水性组 分更多. 李璐璐等 (2014) 在研究三峡库区典型消落 带土壤及沉积物中 DOM 的紫外 可见光谱特征时发 现,SUVA 254 与 SUVA 260 呈显著正相关关系 ( r = 0.875,p<0.01), 并得出芳香性结构主要存在于疏水 性组分中的结论, 这与本研究结果类似, 从而进一 环境科报 步证明了芳香性结构与疏水性组分的密切关系. 两种 DOM 的光谱参数 The spectral parameters of two types of DOM 紫外 可见光谱参数荧光强度荧光参数 a (355) / m -1 SUVA 254 SUVA 260 A 峰 C 峰 T 峰 FI HIX BIX DOM g DOM z 图 1 为两种 DOM 的三维激发发射矩阵荧光光谱图 ( 3 D Excited Emission Matrix Fluorescence Spectrogram,3D EEMs). 由图可知, 存在两类 3 个荧光峰, 分别为类腐殖质荧光峰 A C 和类蛋白荧光峰 T( 高洁等,2015). 其中,A 峰为紫外区类腐殖质峰, C 峰为可见光类富里酸峰, 主要受腐殖质中的羟基和羧基的影响 ;T 峰为类色氨酸峰, 主要受芳环氨基酸结构的影响. 类腐殖质荧光组分与外源腐殖质及

4 ３０７６ 环 境 科 ３９ 卷 报 源作用产生的部分 高洁等 ２０１５ 底泥腐殖质的释放有关 类蛋白荧光组分则主要来 报 自内源输入 包括由微生物 藻类及浮游植物等内 图１ 两种 ＤＯＭ 的 ３Ｄ ＥＥＭｓ 谱图 ａ ＤＯＭ ｇ ｂ ＤＯＭ ｚ Ｆｉｇ １ ３Ｄ ＥＥＭｓ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ＤＯＭ 由表 ２ 可知 两种 ＤＯＭ 均含有类腐殖质和类蛋 白质组分 但它们的荧光特性却存在较大差异 在 ＤＯＭ ｇ 和 ＤＯＭ ｚ 的荧光强度中 Ｔ 峰的荧光强度占比 ＤＯＭ 中的类蛋白组分 这与前文的荧光光谱结果相 对应 ３ ２ 各实验组中土壤 ＭｅＨｇ 含量与土样提取液中 分别为 ８３ ８ 与 ６９ ８ 所占比例均较高 说明两者 物可利 用 性 易 于 被 微 生 物 分 解 利 用 从 而 增 加 都以类蛋白质组分为主 且所占的比例要远远高于 库区水体的值 ５ ８７ ２０ ３１ 高洁等 ２０１５ 表 ＤＯＭ ＤＴＨｇ 的相关性分析 各实验组中土壤 ＭｅＨｇ 含量与 ＤＯＭ ＤＴＨｇ 的 明植物降解初期及禽畜粪便初期产生的 ＤＯＭ 的活 相关性分析结果如表 ３ 所示 从表中可以看出 随着 ＤＯＭ ｚ 中的类蛋白组分多于 ＤＯＭ ｇ 则主要是来自饲 的相关系数也逐渐变大 当 ＤＯＭ 的添加浓度为 ２００ 境 科 性高于天然水体中存在的 ＤＯＭ 谢理等 ２０１３ 而 养等人为 活 动 王 齐 磊 等 ２０１６ 与 ＤＯＭ ｚ 比 较 而 言 ＤＯＭ ｇ 的 ３ 个 荧 光 峰 强 度 都 要 低 得 多 表 明 添加的 ＤＯＭ 浓度变大 土壤中 ＭｅＨｇ 含量与 ＤＯＭ ｍｇ ｋｇ １ 时 土壤 ＭｅＨｇ 含量与土样中的 ＤＯＭ 含量 的相关系数分别为 ０ ８５７ 和 ０ ９０７ 呈显著负相关 ＤＯＭ ｇ 中含有较少的不饱和物质 Ｒｕｉ ｅｔ ａｌ ２０１０ 关系 这可能与汞的生物甲基化有关 当 ＤＯＭ 的添 ２ ＦＩ １ ９ 表示 ＤＯＭ 主要源于细菌和藻类活动 属 著增强 将土壤中的二价汞离子转化成了甲基汞 ＤＯＭ ｇ ＤＯＭ ｚ 的 ＦＩ 分 别 为 １ １８６ 和 １ ７４４ 表 于内源生产 ＦＩ １ ４ 表示主要源于陆生植物和土壤 环 有机 质 属 于 外 源 陆 源 输 入 Ｍｃｋｎｉｇｈｔ ｅｔ ａｌ ２００１ 因此 ＤＯＭ ｇ 的来源以陆源输入为主 自身生 产力贡献相对较低 这主要是因为植物是从土壤中 吸收 营 养 物 质 然 后 转 化 为 自 身 的 有 机 物 质 而 ＤＯＭ ｚ 的来源则是介于陆源输入和内源生产间 这是 因为猪粪中不仅含有外源输入的有机饲料 还有大 量的微生 物 它 们 对 有 机 质 的 分 解 利 用 也 会 影 响 ＤＯＭ 的产生 ＤＯＭ ｇ 的 ＨＩＸ 和 ＢＩＸ 分别为 ０ ２１７ ０ ８８８ ＤＯＭ ｚ 的 ＨＩＸ 和 ＢＩＸ 分别为 ０ ８３８ ０ ９８３ 其中 ＨＩＸ 是用 加浓度为 ２００ ｍｇ ｋｇ １ 时 汞甲基化微生物的活性显 表明 ＤＯＭ 对汞甲基化的影响与 ＤＯＭ 的添加浓度 有关 同时 可以看出 土壤中 ＭｅＨｇ 含量与 ＤＴＨｇ 无 表３ 各实验组中土壤 ＭｅＨｇ 含量与 ＤＯＭ ＤＴＨｇ 的相关系数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｌ ａｎａｌｙｓｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＭｅＨｇ ａｎｄ ＤＯＭ ＤＴＨｇ ｉｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ 处理 对照 ＤＯＭ ｇ ＭｅＨｇ ＤＯＭ ＭｅＨｇ ＤＴＨｇ ５０ ０ ５２０ ０ ２５６ ０ ０ １１５ ０ ８１７ ０ １５６ ５０ ０ ４００ ０ ０７１ ２００ ＤＯＭ ｚ 生物可利用性越高 两种 ＤＯＭ 的 ＢＩＸ 相差不大 且 注 表示 ｐ ０ ０５ 均在 ０ ８ １ ０ 之间 表明两种 ＤＯＭ 均具有较高的生 ０ １３４ １０ 于衡量 ＤＯＭ 腐殖化程度的指标 ＢＩＸ 则表示自生源 的相对贡献程度 其值越大 则自生源的贡献越大 ｒ ＤＯＭ 添加浓度 ｍｇ ｋｇ １ １００ ２００ ０ ８５７ ０ ８０７ ０ ９０７ ０ １６３ ０ １９４ ０ １１１

5 9 期龚贵清等 : 不同类型 DOM 对三峡库区消落带土壤汞甲基化的影响 3077 显著相关性, 这与陈瑞等 (2016) 的研究结果一致, 可能是因为生物可利用性汞所占总汞的比例较小, 而 MeHg 的含量又主要与生物可利用性汞相关. 3.3 不同 DOM 对消落带土壤汞甲基化的影响图 2 是各个处理中 MeHg 与 DOM 的变化趋势图. 从图中可以看出, 在对照组中, 土壤 MeHg 含量随时间的延长略微增长,MeHg 含量在 (90.1±9.2) ~ (243.9±12.5) pg g -1 范围内变化, 而在实验组中, 土壤甲基汞含量逐渐增加, 培养结束时, 在添加 mg kg -1 DOM g 的处理中, 土壤甲基汞含量分别为 ( ± ) ( ± 33. 4) ( ± 78.6) pg g -1, 分别增长了 234% 308% 和 646%. 同样地, 在添加了相同浓度 DOM z 的处理中, 土壤 MeHg 含量分别为 ( ± 27. 0) ( ± 68. 5) (1572.0±299.6) pg g -1, 分别增长了 425% 684% 1418%. 表明两种 DOM 均能促进土壤的汞甲基化, 这可能是因为在后 40 h 内, 汞甲基化微生物的活性比较强, 将土壤中的可利用态汞转化为了 MeHg (Xiang et al.,2014). 已有的研究表明,DOM 对汞的甲基化有双重效应, 既能抑制汞的甲基化, 又可以促进汞的甲基化 ( 陈春羽,2008).DOM 对汞甲基化的抑制作用主要是因为 DOM 可以通过吸附 络合等作用来影响 Hg 在土壤中的存在形式和迁移转 化, 从而降低汞的生物可利用性 ; 另一方面,DOM 可 以为微生物提供丰富的营养物质, 使微生物的活动 增强, 从而促进汞的甲基化, 也有的研究发现部分 腐殖酸可以直接参与汞的非生物甲基化 ( 陈春羽, 2008). 而在本次实验中发现,DOM g 和 DOM z 这两种提取液均能促进消落带土壤中的汞甲基化. 从图 2 中还可以发现, 两种 DOM 提取液的含量均有所下降, 特别是在高浓度处理中, 说明有部分 DOM 被吸 收利用, 一方面是作为营养物质被微生物吸收, 另 且增长幅度与添加浓度存在正相关关系. 同时, 在实一方面则可能是用于汞的非生物甲基化. 并且从图验的前 80 h 内, 土壤 MeHg 的含量增长缓慢, 可能中可以看出,DOM 浓度越高, 其下降程度越大, 表明是因为 DOM 吸附了土壤中的部分汞离子, 导致生 DOM 的添加浓度能够影响微生物对 DOM 的吸收利物可利用的汞浓度减少 ( 陈春羽,2008). 而在后 40 用及其非生物甲基化过程. h,mehg 含量大幅增加, 特别是在高浓度实验组中. 图 2 各处理中 DOM 及 MeHg 含量的变化趋势 (a. DOM g, b. DOM z ) Fig.2 环境科报 Trend charts of DOM and MeHg contents in different treatments 在培养结束时,DOM g 实验组中 MeHg 的含量为 ( ± ) pg g -1, 而 DOM z 实验组中为 (1572.0±299.6) pg g -1, 表明 DOM z 对土壤汞甲基化的促进作用更显著. 一方面是因为芳香性越高的 DOM 越能促进汞的甲基化 ( 梁俭等,2016), 由前面的结果可知,DOM z 的芳香性高于 DOM g. 另一方面则是因为 DOM z 中所含的疏水性组分较高, 导致与 DOM z 结合的 Hg 较少, 从而有更多的无机汞被甲基 化. 此外, 已有的研究已经表明 DOM 中的类蛋白组分是 Hg 2+ 的强有机配位体, 其配位能力强于类腐殖质 ( 何小松等,2010), 并且类蛋白质组分更易被生物利用, 因此, 类蛋白质组分与 Hg 2+ 配位结合后能提高 Hg 2+ 的生物可利用性, 通过三维荧光光谱的结果可知, DOM z 类蛋白质组分的荧光强度远大于 DOM g, 因此, 这也是导致 DOM z 比 DOM g 更能促进土壤中汞甲基化的一个重要原因.

6 3078 环境科报 39 卷 培养结束后, 各实验组中土壤 MeHg 占 THg 的 比例如图 3 所示. MeHg / THg 可以表征汞发生甲基 化的程度 (Weber,1993), 同时也可以反映汞甲基化 的速率 ( Kainz et al.,2006). 从图中可以看到, 空白 组中 MeHg / THg 比例较低, 仅为 0.16%, 而在实验组 中, 这个比例随着添加浓度的增大逐步增加, 当添 加浓度达到 200 mg kg -1 时, 该比例分别增长为 1.03% 和 1.46%. 说明两种 DOM 都可以加快汞甲基 化速率, 促进土壤汞甲基化, 但甲基化程度还是相 对较低, 且两种 DOM 的促进效果存在差异,DOM z 的 促进效果更为显著, 这与前面的实验结果相一致. Fig.3 图 3 各处理中土壤甲基汞含量占总汞含量的比例 The proportion of methylmercury content in soil to total mercury content in each treatment 4 结论 (Conclusions) 1) 紫外 可见光谱特征参数表明两种 DOM 存在显著的差异,DOM z 的 CDOM 浓度 芳香性及疏水性组分都高于 DOM g. 2) 荧光光谱特征参数表明, 两种 DOM 都以类 蛋白物质为主要成分, 但 DOM z 的生物可利用性要高于 DOM g, 且 DOM g 以外源输入为主, 而 DOM z 则有内源和外源两种特征. 此外, 与 DOM g 相比,DOM z 的 腐殖化程度更高, 生物可利用性更强. 3) 模拟实验的结果表明, 两种 DOM 均能促进 库区消落带土壤中汞的甲基化, 同时, 甲基汞含量 在培养的后期会急剧增加, 可能与生物甲基化有关. 但两种 DOM 的促进效果存在差异, 造成这种差异 的主要原因是两种 DOM 的芳香性 疏水性组分及 所含类蛋白物质的比例不同. 参考文献 (References): Baham J, Sposito G Chemistry of water soluble, metal complexing ligands extracted from an anaerobically digested sewage sludge1[ J]. Journal of Environmental Quality,12(1): Bravo A G, Bouchet S, Tolu J, et al Molecular composition of organic matter controls methylmercury formation in boreal lakes[ J]. Nature Communications,8:14255 Bricaud A,Morel A,Prieur L.1981.Absorption by dissolved organic matter of the sea ( yellow substance) in the UV and visible domains[ J]. Limnology Oceanography,26(1):43 53 陈春羽.2008.DOM 对土壤和底泥汞吸附解吸行为的影响 [ D]. 重庆 : 西南大 陈瑞, 陈华, 王定勇, 等 三峡库区消落带土壤中硫酸盐还原菌 对汞甲基化作用的影响 [J]. 环境科,37(10): 陈同斌, 黄泽春, 陈煌 废弃物中水溶性有机质对土壤吸附 Cd 的影响及其机制 [J]. 环境科报,22(2): Cory R M, Mcknight D M Fluorescence spectroscopy reveals ubiquitous presence of oxidized and reduced quinones in dissolved organic matter [ J]. Environmental Science Technology, 39 ( 21): 高洁, 江韬, 李璐璐, 等 三峡库区消落带土壤中溶解性有机质 (DOM) 吸收及荧光光谱特征 [J]. 环境科,36(1): 何天容, 冯新斌, 戴前进, 等 萃取 乙基化结合 GC CVAFS 法测 定沉积物及土壤中的甲基汞 [J]. 地球与环境,32(2):83 86 何小松, 席北斗, 魏自民, 等 三维荧光光谱研究垃圾渗滤液水 溶性有机物与汞相互作用 [J]. 分析化 38(10): Hong H S,Wu J Y,Shang S L,et al.2005.absorption and fluorescence of chromophoric dissolved organic matter in the pearl river estuary, south china[ J].Marine Chemistry,97(1):78 89 Huguet A, Vacher L, Relexans S, et al Properties of fluorescent dissolved organic matter in the gironde estuary [ J ]. Organic Geochemistry,40(6): Jackson T A.1986.Methyl mercury levels in a polluted prairie river lake system:seasona[ J].Canadian Journal of Fisheries Aquatic Sciences, 43(10): Jaffrain J, Gérard F, Meyer M, et al Assessing the quality of dissolved organic matter in forest soils using ultraviolet absorption spectrophotometry[ J]. Soil Science Society of America Journal, 71 (6): Kainz M, Lucotte M Mercury concentrations in lake sediments 环境科报 revisiting the predictive power of catchment morphometry and organic matter composition[ J].Water Air Soil Pollution,170(1 / 4): 李楚娴, 孙荣国, 王定勇, 等 三峡水库消落区土壤 植物汞释放 及其在斑马鱼体的富集特征 [J]. 环境科,35(7): 李璐璐, 江韬, 闫金龙, 等 三峡库区典型消落带土壤及沉积物 中溶解性有机质 (DOM) 的紫外 可见光谱特征 [J]. 环境科,35 (3): 梁俭, 江韬, 卢松, 等 淹水条件下三峡库区典型消落带土壤释 放 DOM 的光谱特征 : 荧光光谱 [J]. 环境科,37(7): 刘明亮, 张运林, 秦伯强 太湖入湖河口和开敞区 CDOM 吸收和 三维荧光特征 [J]. 湖泊科, 21(2): Lucotte M,Montgomery S,Bégin M.1999.Mercury dynamics at the flooded soil water interface in reservoirs of northern Québec: In situ observations / / Lucotte M, Schetagne R, Thérien N,et al.mercury in

7 9 期龚贵清等 : 不同类型 DOM 对三峡库区消落带土壤汞甲基化的影响 3079 the Biogeochemical Cycle[ M].Berlin, Heidelberg:Springer Macalady J L, Mack E E, Nelson D C, et al Sediment microbial community structure and mercury methylation in mercury polluted clear lake, california [ J]. Applied Environmental Microbiology, 66 (4): Mcknight D M, Boyer E W, Westerhoff P K, et al Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity [ J ]. Limnology Oceanography,46(1):38 48 牛志明, 解明曙 三峡库区水库消落区水土资源开发利用的前期思考 [J]. 科技导报,16(4):61 62 覃蔡清, 梁丽, 游蕊, 等 柠檬酸对三峡水库消落区土壤中汞活化及甲基化的影响 [J]. 环境科,36(12): 仇广乐, 冯新斌, 王少锋 贵州省万山汞矿区地表水中不同形态汞的空间分布特点 [J]. 地球与环境,32(4):77 82 Rui Z,Jing C,Hong Mei Z,et al.2010.effect of dissolved organic matters on napropamide availability and ecotoxicity in rapeseed ( brassica napus) [ J ]. Journal of Agricultural Food Chemistry, 58 ( 5 ): 苏冬雪, 王文杰, 邱岭 落叶松林土壤可溶性碳 氮和官能团特 Reviews in Environmental Control,31(3): 王齐磊, 江韬, 赵铮 三峡库区典型农业小流域土壤溶解性有机质的紫外 可见及荧光特征 [J]. 环境科,37(3): Weber J H Review of possible paths for abiotic methylation of mercury( II) in the aquatic environment[ J].Chemosphere,26(11): Weishaar J L, Aiken G R, Bergamaschi B A, et al Evaluation of specific ultraviolet absorbance as an indicator of the chemical composition and reactivity of dissolved organic carbon [ J ]. Environmental Science Technology,37(20): Xiang Y P, Du H X, Shen H, et al Dynamics of total culturable bacteria and its relationship with methylmercury in the soils of the water level fluctuation zone of the three gorges reservoir[ J].Chinese Science Bulletin,59(24): Xiao L,Zhu B,Nsenga K M,et al Plant soaking decomposition as well as nitrogen and phosphorous release in the water level fluctuation zone of the three gorges reservoir[ J].Science of the Total Environment,592: 谢理, 杨浩, 渠晓霞 滇池典型陆生和水生植物溶解性有机质组分的光谱分析 [J]. 环境科研究,26(1):72 79 征的时空变化及与土壤理化性质的关系 [ J]. 生态报,32 (21): 孙涛, 马明, 王永敏, 等 西南地区典型森林水库土壤和沉积物 闫丽红, 陈君, 苏荣国, 等 年秋季长江口口外海域 CDOM 的三维荧光光谱 平行因子分析 [ J]. 环境科,34( 1): 汞的迁移转化特征 [J]. 环境科,39(4): Zsolnay A, Baigar E, Jimenez M, et al Differentiating with Ullrich S M,Tanton T W,Abdrashitova S A.2001.Mercury in the aquatic environment:a review of factors affecting methylation [ J]. Critical fluorescence spectroscopy the sources of dissolved organic matter in soils subjected to drying[ J].Chemosphere,38(1):45 50 环境科报