CN111707652A - 基于三维荧光光谱的水体中***生物降解潜力评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于三维荧光光谱的水体中***生物降解潜力评价方法。以***五日生物降解率表征***生物降解潜力，荧光峰中心发射波长小于380 nm的荧光组分表征易生物降解荧光有机物，构建水体中碳标准化***五日生物降解率与易生物降解荧光有机物含量的线性相关方程；扫描待测水样的三维荧光光谱，结合平行因子分析计算易生物降解荧光有机物含量；根据线性相关方程评价待测水样中***生物降解潜力。本发明能够实现对地表水体中***生物降解行为的评估和预测，便于针对性地开展污染控制；样品用量少、操作简单、成本低廉，无需复杂的样品处理和检测；平均相对误差不超过10%。

Description

基于三维荧光光谱的水体中***生物降解潜力评价方法
技术领域
本发明属于环境监测的技术领域，具体涉及一种基于三维荧光光谱的水体中***生物降解潜力评价方法，可应用于预测与模拟地表水中***的环境归趋和风险。
背景技术
雌酮、17β-***、雌三醇、乙炔基***和炔雌醇甲醚等***是环境中一类重要的内分泌干扰物，被世界卫生组成列为一类致癌物和重要环境污染物。***在生物体内参与代谢活动，未被代谢的部分及代谢产物随着人体与动物的***物进入污水处理厂和畜禽养殖场，而常规水处理工艺对***的处理效率有限，未经处理或处理不完全的尾水排放使***进入地表环境中，严重威胁人类健康和生态平衡。其中，17β-***(E2)是目前临床上常用激素类药物的母体物质，内分泌干扰性很强，在痕量水平下就可影响生物体正常的生长、生殖、发育等过程，具有严重的致畸致癌作用。目前，不同国家和地区的地表水体中频繁检出***，部分检出浓度高于预测无效应浓度。
地表水体具有一定的自净能力，可以通过弥散、稀释、吸附、水解、挥发、生物降解等多种自然机制降低污染物的浓度、毒性和移动性。异氧微生物的分解利用是水体中***最重要的自然净化过程，能够从根本上将***污染减量化、无害化。因此，识别水体中***的生物降解潜力不仅是评估***生物稳定性的必要指标，也是预测***环境归趋和风险的重要依据。目前水体中***生物降解能力评价的方法有浓度分析法、微宇宙实验分析法、微生物学分析、模型模拟法等。浓度分析法需要长期监测水体中污染物的浓度变化，精确度高，但成本也较高；微宇宙实验分析法用室内实验模拟水体中污染物的降解过程，但环境条件复杂，室内模拟与现实情况往往有较大出入；微生物学分析只针对微生物群落和组成进行表征，并不能直接体现为降解能力；模型模拟法受建模方法、参数采集的限制，推广难度大。因此，亟需一种方便、快速、准确的水体中***生物降解潜力评价方法。
地表水体中***的浓度水平通常不足以支撑微生物群落的生长，***的生物降解主要通过与其它可生物降解有机物共同代谢的方式进行，因此***的生物降解潜力与易生物降解有机物的浓度一般呈正相关关系。目前，水体中易生物降解有机物的常规测定方法为静态培养法和生物膜培养法，两种方法均需长期培养，步骤繁杂，耗时较长。一般地，水体中有机物的荧光光谱特征可反映其生物降解程度，而易生物降解有机物的浓度与类蛋白荧光组分的含量通常呈正相关。因此，作为易生物降解有机物的替代指标，荧光光谱可用于评价水体中***的生物降解潜力。三维荧光光谱作为一种灵敏、快速、无损的有机物分析手段，已作为替代指标广泛应用于水体中化学需氧量、生物需氧量、总碳、有机碳等水质分析，但尚未用于表征水体中污染物的生物降解潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对地表水体中***生物降解潜力测定方法存在步骤多、成本高的问题，提出利用水体中有机物和***的生物共代谢机制来预测***的生物降解，确认了有机物三维荧光光谱特征与***生物降解潜力的相关关系，在此基础上开发了一种简便、快速评价水体中***生物降解潜力的方法。
本发明所采取的技术方案来为：一种基于三维荧光光谱的水体中***生物降解潜力评价方法，包括以下步骤：构建水体中***五日生物降解率与易生物降解荧光有机物百分比含量的线性相关方程；扫描待测水样的三维荧光光谱，结合平行因子分析计算易生物降解荧光有机物百分比含量；根据线性相关方程评价待测水样中***生物降解潜力。
进一步的技术方案在于，包括以下步骤：
(1)建立地表水体中***五日生物降解率与易生物降解荧光有机物百分比含量的线性相关方程；
(1)以***五日生物降解率表征***生物降解潜力，建立水体中***五日生物降解率与易生物降解荧光有机物百分比含量的线性相关方程；
①采集多份地表水样品，通过稀释或浓缩至相同的总有机碳浓度TOC1；
②扫描处理后水样的激发-发射三维荧光光谱并进行拉曼散射和瑞利散射校正；对其进行平行因子分析，得到荧光组分数量和每份水样中各个荧光组分的浓度Fmax；计算荧光峰中心发射波长小于380nm的荧光组分Fmax之和作为易生物降解的荧光有机物组分浓度F1；所有组分之和为F，其比值F1/F即为易生物降解荧光有机物百分比含量；
③添加***标准溶液到处理后水样中，测定***的有机碳标准化五日生物降解率V5；
④以各个水样的F1/F为自变量，V5为因变量，通过线性回归法，建立线性相关方程；
V5＝a*F1/F+b (1)
式中a，b为线性回归系数；
(2)评价实际水样中***生物降解潜力；
测定待测水样的总有机碳浓度TOC，采用②中所述方法计算其易生物降解荧光有机物百分数含量，代入建立的线性相关方程(1)计算待测水样中有机碳标准化***五日生物降解率V5，结合待测水样的TOC，计算待测水样中***五日生物降解率P5为：
P5＝TOC*V5 (2)。
进一步地，本方法中以17β-***降解潜力表征***生物降解潜力。本方法利用了生物共代谢机制，共代谢一般认为是活性有机物与可降解污染物的之间的协同生物降解；***种类很多，各个种类的性质不尽相同，17β-***属于可降解的污染物之一，其生物有效性高于其他同类***。
进一步地，本方法所分析的地表水为河流、湖泊等天然淡水水体。
进一步地，在建立线性相关方程时，处理后水样的总有机碳浓度TOC1应在2～8mg/L之间；所述待测水样的TOC在0～10mg/L之间，当TOC超出范围时用超纯水稀释；有机物浓度过高可导致荧光有机物之间的强烈猝灭作用，影响三维荧光光谱扫描。
进一步地，在扫描水样的三维荧光光谱时，需要用0.45μm玻璃纤维滤膜进行过滤，避免水样中的杂质干扰。
进一步地，在扫描水样的三维荧光光谱时，扫描激发波长范围为200～450nm，扫描间距不大于5nm，扫描发射波长范围为250～600nm，扫描间距不大于2nm，激发和发射波长狭缝宽度不大于5nm，扫描速度不高于2400nm/min。
进一步地，在对水样的三维荧光光谱进行平行因子分析时，光谱数据数量不宜少于20个，若不够20个，可以采集其它地表水样品补充至20以上。
进一步地，在对水样的三维荧光光谱进行平行因子分析时，荧光组分数量需通过核心一致度和半检验验证。
进一步地，所述***的有机碳标准化五日生物降解率测定方式为：记录***初始浓度为C0；添加培养菌液避光、静态培养五天后，测定每份水样中的***浓度C5，计算***的有机碳标准化五日生物降解率V5＝(C0-C5)/[TOC1]。
进一步地，在建立线性相关方程，测定水样中***的有机碳标准化五日生物降解率V5时，因高浓度***对微生物具有毒性作用，***初始浓度C0应不高于100μg/L。
进一步地，在建立线性相关方程，测定水样中***的有机碳标准化五日生物降解率V5时，各个样品中的氮、磷等营养盐浓度差别应不高于10％。
进一步地，在建立线性相关方程，测定水样中***的有机碳标准化五日生物降解率V5时，所添加的培养菌液可从土壤、沉积物、污泥等样品中制备，培养菌液浓度不应超过地表水体中微生物数量的常见范围。
进一步地，在评价实际水样中***生物降解潜力时，待测水样中易生物降解荧光有机物的相对含量应在线性相关方程的范围内，若超出线性相关方程范围，需进行实测验证。
进一步地，在评价实际水样中***生物降解潜力时，由于地表水体水质复杂，除有机物外，无机离子也可能影响***的生物降解潜力，可能需要对测定结果进行修正；需要修正时，可实测5-10个水样的***生物降解潜力，与相应的计算值进行线性回归分析，回归系数即为修正系数。
本发明的优点：
①本方法基于生物共代谢机制，利用易降解荧光有机物的含量与***五日生物降解率的相关方程，可以直接计算待测水体中***的生物降解潜力，能够实现对地表水体中***生物降解行为的评估和预测，便于针对性地开展污染控制。
②本方法在前期通过实验建立线性相关方程后，后期仅需测定待测水体的有机碳浓度和三维荧光光谱即可完成***生物降解潜力评价，无需复杂的样品处理和昂贵的有机污染物分析。
③与现有技术相比，三维荧光光谱分析灵敏度高、操作简单，样品用量少。
附图说明
图1是本发明的方法中平行因子分析鉴定的常见荧光有机物组分(C1、C2、C3、C4)。
图2是本发明的方法中地表水中***五日生物降解率与易生物降解荧光有机物百分比含量的线性相关方程。
图3是待测样品中***五日生物降解率的计算值和实测值误差分析。
具体实施方式
本发明公开了一种基于三维荧光光谱的水体中***生物降解潜力评价方法，具体操作为：
(1)建立地表水体中***五日生物降解率与易生物降解荧光有机物百分比含量的线性相关方程
①采集不同河流、湖泊等地表水样品S1，S2…S7，用0.45μm玻璃纤维滤膜过滤后，测定总有机碳TOC浓度，并通过超纯水稀释或旋蒸浓缩至TOC1浓度为5mg/L。
②扫描处理后水样的激发-发射三维荧光光谱，进行拉曼散射校正和扣除瑞利散射影响。将处理后的三维荧光光谱数据导出至MATLAB，采用drEEM软件包(http://dreem.openfluor.org)进行平行因子分析，经过核心一致度和半检验验证，得到4个荧光组分如图1所示。C1和C2组分的荧光峰中心发射波长小于380nm，分别为类酪氨酸荧光组分和类色氨酸荧光组分，C3和C4组分的荧光峰中心发射波长大于380nm，分别为类富里酸和类腐殖酸荧光组分。样品S1～S7中C1、C2、C3、C4的浓度如表1所示。将C1和C2的荧光强度Fmax相加，得易生物降解的荧光有机物组分浓度F1；将所有组分的荧光强度Fmax相加，得荧光有机物组分总浓度F；计算样品中易生物降解荧光有机物百分比含量F1/F；
表1样品S1～S7中荧光有机物组分浓度和有机碳标准化***五日生物降解率
Figure BDA0002555412110000051
③将17β-***标准品溶于超纯水中，制备浓度为10mg/L的***标准溶液。
④从某湖泊采集沉积物样品，将100g沉积物与1L超纯水混合后振荡8小时，静置过夜。收集悬浮液，用1.2μm醋酸纤维滤膜过滤后离心30分钟(10000rpm)，舍弃上清液，将残留菌体重新溶于1L超纯水中，得到培养菌液。
⑤添加***标准溶液到200mL处理后水样中，使得***浓度为50μg/L；添加1％体积的培养菌液，避光、静态培养五天后，测定每份水样中的***浓度C5(μg/L)，计算***的有机碳标准化五日生物降解率V5＝(50-C5)/5(μg/mg)。样品S1～S7的V5值如表1所示。
⑥以样品S1～S7的F1/F为自变量，以相应样品的V5为因变量，绘制散点图，如图2所示。通过线性回归法，建立相关方程，为：
V5＝14.32*(F1/F)-1.41，R2＝0.9220
(2)评价实际水样中***生物降解潜力
①采集某湖泊待测水样N1，N2…N5，测定水样的总有机碳浓度为TOC(mg/L)，如表2所示。扫描样品N1～N5的三维荧光光谱，进行拉曼散射校正和扣除瑞利散射影响，将处理后的三维荧光数据在MATLAB上采用drEEM软件包(http://dreem.openfluor.org)进行平行因子分析，计算各个样品中易生物降解荧光有机物百分比含量F1/F；如表2所示。
表2待测样品N1～N5中总有机碳浓度、荧光有机物组分浓度及***五日生物降解率
Figure BDA0002555412110000061
②利用线性相关方程，根据待测水样的F1/F计算有机碳标准化***五日生物降解率V5，结合总有机碳浓度TOC(mg/L)，计算样品N1～N5中***五日生物降解率P5＝TOC*V5(μg/L)，如表2所示。
(3)结果验证与误差分析
①相关性分析
通过实验测定样品N1～N5中的***五日生物降解潜力。采用相关分析对样品N1～N5中***五日生物降解率的计算值和实测值进行相关性分析。结果显示，***五日生物降解率的计算值和实测值的相关性较强，皮尔逊相关系数为0.9843，显著性概率小于0.001，即认为计算值和实测值存在显著的正相关性。
②误差分析
对样品N1～N5中***五日生物降解潜力的计算值和实测值进行误差分析，结果如图3所示。y＝x左右两侧的直线表示计算值与实测值的误差为10％。可以看出，计算值与实测值的误差在10％以内。
因此，采用上述方法对地表水体中***生物降解潜力的评价可靠。

Claims (10)

1.一种基于三维荧光光谱的水体中***生物降解潜力评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以***五日生物降解率表征***生物降解潜力，荧光峰中心发射波长小于380nm的荧光组分表征易生物降解荧光有机物，建立水体中***五日生物降解率与易生物降解荧光有机物百分比含量的线性相关方程；
①采集多份地表水样品，通过稀释或浓缩至相同的总有机碳浓度TOC1；
②扫描处理后水样的激发-发射三维荧光光谱并进行拉曼散射和瑞利散射校正；对其进行平行因子分析，得到荧光组分数量和每份水样中各个荧光组分的浓度Fmax；计算荧光峰中心发射波长小于380nm的荧光组分Fmax之和F1；所有荧光组分的Fmax之和为F，其比值F1/F即为易生物降解荧光有机物百分比含量；
③添加***标准溶液到处理后水样中，测定***的有机碳标准化五日生物降解率V5；
④以各个水样的F1/F为自变量，V5为因变量，通过线性回归法，建立线性相关方程；
V5＝a*F1/F+b (1)
(2)评价实际水样中***生物降解潜力；
测定待测水样的总有机碳浓度TOC，采用②中所述方法计算其易生物降解荧光有机物百分数含量，代入建立的线性相关方程(1)计算待测水样中有机碳标准化***五日生物降解率V5，结合待测水样的TOC，计算待测水样中***五日生物降解率P5为：
P5＝TOC*V5 (2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以17β-***降解潜力表征***生物降解潜力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地表水样品采集自淡水水体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TOC1在2～8mg/L之间；所述待测水样的TOC在0～10mg/L之间，当TOC超出范围时用超纯水稀释。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在扫描水样的三维荧光光谱时，扫描激发波长范围为200～450nm，扫描间距不大于5nm，扫描发射波长范围为250～600nm，扫描间距不大于2nm，激发和发射波长狭缝宽度不大于5nm，扫描速度不高于2400nm/min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行平行因子分析时，光谱数据数量不少于20份；荧光组分数量通过核心一致度和半检验验证。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述***的有机碳标准化五日生物降解率V5测定方式为：记录***初始浓度为C0；添加培养菌液避光、静态培养五天后，测定每份水样中的***浓度C5，计算***的有机碳标准化五日生物降解率V5＝(C0-C5)/[TOC1]。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述***初始浓度C0不高于100μg/L。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述培养菌液从土壤、沉积物、污泥样品中制备，培养菌液浓度不超过地表水体中微生物数量的常见范围。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，对测定结果进行修正；实测5-10个水样的***生物降解潜力，与相应的计算值进行线性回归分析，回归系数即为修正系数。
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