论文部分内容阅读
溶解性有机质（Dissolved Organic Matter,DOM）能够影响环境中污染物赋存状态和环境行为,探究DOM与污染物的相互作用对明晰二者的环境风险至关重要。石墨烯材料（Graphene Materials,GMs）在应用过程中会排入水环境,进而与DOM接触并相互作用。因此,研究人员开展了众多关于GMs对DOM特性的影响、DOM在GMs上的吸附行为及其对GMs毒性影响等研究工作。目前围绕DOM与GMs相互作用的研究主要集中于外源性DOM。藻类释放的藻源溶解性有机质（Algogenic Dissolved Organic Matter,ADOM）作为水环境中内源性 DOM的主要组分,相较于外源性DOM,具有性质不稳定、组成复杂等特点,然而目前有关ADOM与GMs相互作用的研究却相对较少。同时,ADOM的释放受藻类不同生长阶段的影响,目前与ADOM相关的研究主要集中在藻类的延滞期或指数期,有关藻类其他生长阶段释放ADOM特性的变化及其产生的环境效应少有关注。因此,有必要探究GMs对藻类不同生长阶段释放ADOM的影响以及具体的影响机制。针对ADOM的研究方法中,传统的色谱、质谱等需要复杂的样品前处理过程,会使其性质在处理过程中发生变化,难以准确地研究GMs与ADOM的相互影响。光谱法具有快速、非破坏性、高灵敏度以及检出限低等优点,可以避免ADOM在样品处理和检测过程中性质发生改变,从而实现原位获取ADOM荧光组分及光谱性质的变化信息。本文针对上述两个问题,以氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）和石墨烯（Graphene,G）作为目标污染物,以小球藻作为模式藻种,探究GO/G对小球藻不同生长阶段释放ADOM荧光光谱性质的影响,具体内容如下:（1）利用荧光激发发射矩阵结合平行因子（Excitation Emission Matrix-Parallel Factor,EEM-PARAFAC）分析法和紫外-可见（Ultraviolet-Visible,UV-Vis）吸收光谱法研究GO/G（0、1.5、5、10、20mg L-1）对小球藻不同生长阶段释放ADOM的光谱性质影响。GO/G暴露下小球藻表现出不同的生长阶段,分别是延滞期（1～6天）、指数期（6～18天）和稳定期（18～38天）。GO/G暴露下小球藻释放ADOM经PARAFAC分析后得到3个荧光组分,分别是类蛋白质组分C1（λex/λem=285 nm/328nm）、类腐殖酸组分C2（λex/λem=345nm/430nm）和类富里酸组分 C3（λex/λ em=275,395nm/488nm）。结果表明,小球藻 ADOM 的总荧光强度随着GO/G暴露浓度的增加而下降,相比控制组最大降低了 59.93%和24.46%,其中GO/G使小球藻ADOM中总类腐殖质组分的荧光强度降低了61.13%和29.42%,然而GO/G导致小球藻指数期释放的ADOM中类蛋白质组分的荧光强度增加28.23%和48.82%。吸收光谱的结果显示GO/G使小球藻ADOM的疏水性降低33.51%和21.09%,分子量降低39.41%和23.10%。上述结果可知,GO/G可以显著改变小球藻释放ADOM特性,且二者的影响具有明显的差异。（2）藻类的光合作用是影响其释放ADOM的重要过程,因此在（1）的基础上探究GO/G存在下小球藻光合作用的变化如何影响其释放的ADOM。实验结果表明,小球藻延滞期内GO/G的暴露使叶绿素a（Chlorophylla,Chl-a）的浓度、光合系统的最大光化学效率（Photochemical Efficiency of Photosystem Ⅱ,Fv/Fm）和非光化学猝灭常数（Non-Photochemical Quenching,NPQ）降低,表现出显著的光合抑制作用。培养第6天,GO/G暴露组的Chl-a浓度呈现恢复的趋势,进入稳定期后GO/G暴露组的Chl-a浓度和光合活性参数均高于控制组。GO/G暴露下通过控制光照时间来改变小球藻的光合作用过程,观察C1组分荧光强度的变化。结果显示,随着光照时间从14hday-1减少到5 hday-1,GO/G对小球藻ADOM中C1组分的影响从促进作用（相比控制组的增加比例分别为14.85%和24.83%）转变为抑制作用（相比控制组的降低比例分别为43.23%和18.17%）,证明GO/G可以通过改变小球藻的光合作用进而影响ADOM中C1组分的释放。（3）通过吸附动力实验测定小球藻ADOM中各荧光组分在GO/G上的吸附平衡时间以及平衡吸附量,以确定小球藻ADOM与GO/G的相互作用对其光谱特性的影响。研究结果表明,经过24 h吸附后,ADOM中各荧光组分含量保持稳定。GO对小球藻ADOM中C1、C2和C3组分的平衡吸附量分别为0.039、0.018 和 0.011 R.U.mg-1,G 的平衡吸附量分别为 0.018、0.008 和 0.005 R.U.mg-1,说明GO对ADOM的吸附量高于G。GO对C1的吸附速率常数为5.42 h-1,高于G的吸附速率常数3.59 h-1。C1与GO均具有亲水性,所以二者之间的吸附作用强于C1与疏水性的G之间的吸附作用。C2和C3在G上的吸附速率常数分别为4.48和1.75 h-1,C2和C3在GO表面的吸附速率常数为2.93和1.39 h-1,表明C2和C3与G的相互作用强于GO。两种类腐殖质组分C2和C3具有较强的疏水性,因此与G的相互作用强于GO。上述结果表明GO/G对ADOM中不同荧光组分的吸附行为取决于各荧光组分的亲/疏水性。GO/G与ADOM达到平衡吸附后暴露至小球藻培养基中,测定小球藻生长和Chl-a的变化。结果显示,未吸附ADOM的GO/G使小球藻的密度分别下降了 48.16%和33.22%,对Chl-a的抑制率分别达到24.25%和47.36%。经过稳定期ADOM的吸附后,GO/G对小球藻生长抑制率降低至7.36%和15.26%,对Chl-a的抑制率降低至2.56%和3.83%。结合（1）和（2）的结果可知,在小球藻ADOM的影响下GO/G对小球藻的生长和Chl-a抑制发生变化,其释放的ADOM也会进一步发生变化。上述研究结果表明GO/G与藻类ADOM的吸附行为不仅会改变ADOM荧光组分含量,也会改变GO/G对小球藻的生长和Chl-a的影响,进一步影响小球藻ADOM的释放过程。本文通过EEM-PARAFAC结合UV-Vis吸收光谱探究了 GO/G存在下小球藻不同生长阶段释放ADOM光谱特性的变化及相关机制。结果表明GO/G暴露至小球藻指数期后可以通过影响其光合作用使ADOM中类蛋白质组分的释放量增加,而GO/G与ADOM的吸附作用则会显著降低ADOM的总体含量、类腐殖质含量、分子量及疏水性等光谱特性。吸附了 ADOM后的GO/G对小球藻生长和光合作用的抑制也得到缓解,此时GO/G对小球藻释放ADOM过程的影响又会进一步发生变化。