凍融條件下溶解性有機物在冰?水?沉積物體系中的遷移

楊 力，陳忠禮，邵 迎，吳思齊

（重慶大學 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400045）

環境介質的凍融是指溫度降到零度以下和升至零度以上，導致水土產生凍結和融化的一種物理現象，地球上中高緯度大部分地區都會經歷季節性周期凍融過程。凍融過程會改變水體和土壤的理化性質。對于地表水，其影響主要包括冬季溫度降低，形成冰層導致地表水冰封，水體流量減少；春季溫度升高，冰層融化形成洪水（桃花汛）[1]。在中國大部分地區的地表水均會經歷不同時長的冰封期，尤其是北方地區每年12 月以后，環境溫度逐漸下降至零度以下，地表水開始結冰，將會形成長達4～6 個月的冰封期[2]。地表水凍融過程將改變物質遷移轉化格局，造成不同物質組分在冰層、水體以及沉積物中的分布和濃度的巨大差異。冬季地表水形成冰層，冰下水體中重金屬、總氮（TN）、總磷（TP）含量增加[3,4]。春季溫度升高后地表水冰層融化，在氣溫和外界擾動的影響下沉積物中污染物釋放[5,6]，大量污染物在融冰初期從冰體中迅速釋放[2]，地表水中污染物種類增加，污染物濃度升高。研究發現積雪融化會導致半揮發性有機污染物（SVOC）釋放至陸地、水生生態系統中，此外在融雪實驗中也發現融水中多環芳烴含量上升[7]。因此，凍融驅動的水文過程改變，將可能對水生生態系統健康產生潛在風險。

目前關于地表水冰封的研究主要集中于冰封期重金屬、營養鹽在冰?水體系的分布特征[8]，以及浮游藻類群落結構特征[9]，細菌群落結構特征[10]。室內模擬實驗則側重于研究凍融過程中污染物遷移的熱力學和動力學，探究污染物在冰?水體系中的遷移規律及其影響因素[11]。凍融條件下污染物在冰?水?沉積物體系中的遷移規律，尚未明了。有機物按照形成可以分為天然有機物和人工合成有機物，溶解性有機物（dissolved organic matter，DOM）是指廣泛存在于各類水體中能通過0.45 μm 濾膜的天然有機物混合體[12]，有機微污染物（organic micro-pollutants，OMPs）是指在水環境中多以痕量水平存在的有機污染物，因具有毒性、持久性、生物可富集等特點，對水生生態系統健康構成威脅。凍融過程中，溶解性有機物不同組分在冰?水?沉積物的分布格局和變化情況如何？凍融過程下DOM 的變化與其他環境因子的變化有何關聯？這種變化是否會對生態系統產生潛在影響？針對這些問題，筆者以DOM 為研究對象，通過三維熒光光譜和紫外可見吸收光譜，探究其在冰?水?沉積物中的分布變化規律，結合TN、TP 等常規污染指標分析不同物質在凍融過程中的關聯特征，以雌激素類非揮發性有機微污染物為特征污染物，剖析其在冰水相變過程中的質量濃度變化動態特征。本研究有助于揭示凍融過程下污染物在冰?水?沉積物體系的變化規律和潛在環境影響，為凍融地區水環境保護和生態風險防控提供客觀的理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用冰樣和沉積物樣品于2021 年1 月采自遼寧省鞍山市岫巖滿族自治縣朝陽鎮周邊河流（40°28′33″N，123°33′42″E）?，F場采用多參數水質分析儀（Professional Plus，美國YSI）測定地表水水溫0.6 ℃，氧化還原電位（ORP）182.1 mV，溶解氧（DO）18.92 mg/L，酸堿度（pH）8.97，電導率（SPC）0.197 mS/cm。該采樣點地表水常規指標總氮（TN）4.15 mg/L，總磷（TP）0.12 mg/L，總有機碳（TOC）11.25 mg/L[13]。β-雌二醇（98%）、炔雌醇（≥98%）購自阿拉丁，雙酚A（99.9%）購自Sigma。

1.2 實驗設計

取250 mL 燒杯15 個，分別加入20 mL 沉積物樣品，60 mL 溶解后冰樣，混勻后靜置30 min。凍融過程控制為溫度?20 ℃（0～16 h），溫度室溫（16～24 h），將燒杯放入凍融裝置，分別在0、2、16、20、24 h 時各取3 個燒杯，各時間點測得燒杯中水相體積見表1，每個燒杯取30 mL 水樣，水體完全結冰時用冰錐將沉積物與冰體分離，待冰體完全溶解后取30 mL 水樣，待測。

表1 水?沉積物體系凍融控制過程Table 1 Freeze-thaw control process in the water-sediment system

取250 mL 藍蓋瓶12 個，分別加入100 mL 無菌超純水配制質量濃度均為7.5 μg/L 的E2、EE2 和BPA 混合溶液。凍融過程控制為溫度?20 ℃（0～16 h），隨后持續停留在室溫條件直至凍融周期結束（16～24 h）。將藍蓋瓶放入?20 ℃冰箱，分別在0、2、20、24 h 時各取3 個藍蓋瓶，各時間點測得藍蓋瓶中水相體積見表2，每個取60 mL 水樣通過固相萃取富集濃縮后檢測雌激素質量濃度。

表2 雌激素溶液凍融控制過程Table 2 Freeze-thaw control process of estrogen solution

1.3 分析方法

1.3.1 三維熒光光譜的測定

樣品經0.45 μm PES一次性過濾器過濾后，采用日立F-7000熒光分光光度計測定其三維熒光光譜，掃描范圍設置為激發波長（Ex）220～450 nm，發射波長（Em）250～550 nm，掃描速度為12 000 nm/min，激發和發射狹縫設置為5 nm[14]。

計算三維熒光特征指數，熒光指數（FI）定義為激發波長370 nm 時，發射波長450 nm 和500 nm 處的熒光強度比值；生物源指數（BIX）定義為激發波長310 nm 時，發射波長380 nm 處的熒光強度與發射波長在420～435 nm 區間最大熒光強度的比值；腐殖化指數（HIX）定義為激發波長255 nm 時，發射波長在438～480 nm 區間熒光強度積分值與發射波長在300～345 nm 區間熒光強度積分值的比值[15,16]。

1.3.2 雌激素質量濃度的測定

水相中的雌激素采用固相萃取進行富集濃縮[17]，固相萃取柱為HLB（60 mg，1 mL），用6 mL 甲醇、6 mL超純水依次活化固相萃取柱，上樣速度為1～2 mL/min，然后用6 mL 超純水淋洗柱體，抽干30 min，最后用2×6 mL 甲醇洗脫至玻璃樣品瓶，氮吹至干，用甲醇（HPLC，諾爾施）定容至0.5 mL，經0.22 μm PES 一次性過濾器過濾后，用高效液相色譜（HPLC）-熒光檢測器（FLD）（Agilent 1260 InfinityⅡ，安捷倫）測定雌激素質量濃度。3 種雌激素類物質β-雌二醇、炔雌醇、雙酚A 的加標回收率分別為106.6%、96.8%、95.8%。

高效液相色譜條件：采用高效液相色譜（HPLC）?熒光檢測器（FLD）測定雌激素質量濃度，色譜柱為ZORBAX SB-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm），保護柱為SB-C18 Guard cartrges 4.6×12.5 4/PK。流動相為（A）乙腈（HPLC，諾爾施）和（B）超純水，梯度洗脫，0～6 min，45% A；6～10 min，65% A；10～20 min，75% A；進樣量為10 μL，流量為1 mL/min；熒光檢測器（FLD）設置為激發波長280 nm，發射波長310 nm[18,19]。

1.3.3 其他指標的測定

用于測定溶解性有機碳（DOC）、總氮（TN）的水樣經0.22 μm PES 一次性過濾器過濾后用總有機碳分析儀（TOC-L CPH，島津）測定，總磷（TP）的測定根據《GB/T 11893—1989》進行。用于測定UV254水樣經0.45 μm PES 一次性過濾器過濾后用紫外可見分光光度計（UV2355 型，尤尼柯）測定。

2 結果與分析

2.1 三維熒光光譜分析

凍融條件下水體中溶解性有機物的熒光特性如圖1所示。其中圖1(a)為原樣中水體DOM 三維熒光光譜，峰A（Ex=230 nm，Em=340 nm）為類色氨酸，峰B（Ex=280 nm，Em=310 nm）為類酪氨酸，峰C（Ex=260 nm，Em=400～460 nm）為類腐殖酸[20-22]。從圖1可以看出，在凍結過程中，水體中類色氨酸峰A、類酪氨酸峰B以及類腐殖酸峰C的熒光強度增強，完全凍結時，冰相中峰A、峰B、峰C的熒光強度均降低，在此過程中可能發生了溶解性有機物向沉積物中的遷移，而在溶解過程中，由于沉積物向水體中釋放溶解性有機物，完全溶解時熒光強度增強，但小于原水樣。

在凍融過程中冰水兩相DOM 的BIX 變化范圍為0.792～0.869（圖2(a)），溶解時水相的BIX 顯著大于未經凍結的原水樣、完全凍結時的冰相以及完全溶解時的水相。BIX 反映水體中DOM 自生源相對貢獻，當BIX值在0.6～0.8 之間時，說明DOM 自生源貢獻相對較低；當BIX 值在0.8～1.0 之間時，說明樣品中DOM 存在較多新的自生源；當BIX＞1.0 時，說明DOM 主要來源于新產生的自生源[23]。凍融過程中冰水兩相的DOM 自生源比例較高，在溶解時水相BIX 增加到0.869，說明沉積物釋放出來的DOM 自生源貢獻較高；完全溶解后水相BIX 減小至0.807，與原水樣無顯著差異。

熒光指數FI 表征DOM 中腐殖質的來源，FI＞1.9 說明是以微生物代謝為主要來源，FI＜1.4 說明是以陸源貢獻為主。在凍融過程中FI 未發生顯著變化，范圍在1.831～1.952 之間（圖2(b)），更接近內源特征值，說明水體腐殖質以微生物代謝為主要來源[24]。

腐殖化指數HIX 表征腐殖化程度，HIX＞10 說明DOM 有顯著腐殖質特征，HIX＜4 說明DOM 弱腐殖質特征[25]，水體DOM 的HIX 范圍為0.825～0.960（圖2(c)），在凍融過程中冰水兩相均表現為弱腐殖質。溶解時水相DOM 的HIX 降低至0.825，顯著小于原水樣，說明在此過程中腐殖質發生了由水體向沉積物的遷移，導致水體中腐殖質減少。而完全溶解后，腐殖化指數HIX 增加至0.912，與原水樣無顯著差異，說明腐殖質由沉積物向水體遷移。

UV254表征DOM 中具有碳碳或碳氧雙鍵的芳香族物質含量，SUVA254是UV254與DOC 濃度的比值，用來表征DOM 中芳香族物質的組成[26]。由圖2(d)，原水樣的平均SUVA254為1.068 L/(mg·m)，凍結過程中水相的SUVA254為1.185 L/(mg·m)，完全凍結時冰相的SUVA254減小至0.344 L/(mg·m)，溶解過程中水相的SUVA254為0.292 L/(mg·m)。說明在凍結過程中，水體DOM 中芳香族物質的比例增加，而隨著冰相體積的增加芳香族物質的比例降低。在完全溶解后水體的SUVA254為0.448 L/(mg·m)，說明凍融過程發生后，芳香族有機物可能滯留在沉積物中。

2.2 凍融條件下水體中DOC、TN、TP 的變化

對在凍融條件下水相或冰相中TN、DOC、TP 的含量進行檢測，結果如圖3 所示。在水體凍結過程中，水相中TN 的含量升高，未經凍融的原水樣中TN 含量為2.53 mg/L，凍結過程中水相TN 的含量為3.72 mg/L，完全凍結時冰相中TN 的含量為1.93 mg/L。在凍結過程中水相TN 的含量顯著大于完全凍結時冰相中TN 的含量，水體中TN 含量降低，說明在此過程中發生了TN 向沉積物的遷移。在冰相溶解過程中和完全溶解后，水相中TN 的含量與原水樣無顯著差異，說明TN 再由沉積物向水相中遷移。完全溶解時水體中DOC 的含量增加至9.61 mg/L，顯著大于未經凍融的原水樣中DOC 的含量6.08 mg/L，說明該凍融過程導致水體中DOC 增加，DOC 由沉積物向水體中遷移。在凍結過程中水相TP 的含量由原水樣的0.039 mg/L 增加至0.044 mg/L，完全凍結時冰相中TP 的含量為0.034 mg/L，冰體完全溶解時降低至0.022 mg/L。因此，在凍融過程下水體中含P 可溶性物質由冰相向水相，再到沉積物的遷移趨勢較為明顯，這與含N 可溶性物質遷移方向不同，說明含P 可溶性物質在凍融條件的影響下，更易在沉積物中停留富集。

根據相關性分析結果（表3），在凍融過程中SUVA254和TP 顯著正相關，在凍融的影響下，芳香族物質和TP 具有相似的遷移方向。SUVA254和DOC 具有顯著負相關性，說明芳香族物質在水體DOC 的比例較小。FI反應了芳香族氨基酸與非芳香族物質對DOM 熒光強度的相對貢獻率[27]，在凍融過程中SUVA254和FI 為顯著正相關。

表3 凍融條件下DOM 特征指數、水質指標的相關性分析Table 3 Correlation analysis of DOM characteristic indexes and water quality indexes under freeze-thaw conditions

2.3 凍融條件下水體中雌激素質量濃度的變化

天然水體（尤其是大型水體）的凍融過程，部分物質可能僅在冰水兩相中發生遷移。因此，為進一步探究凍融條件下非揮發性有機微污染物的變化規律，本研究在排除沉積物影響的前提下對凍融條件下雌激素類物質的遷移進行研究，發現僅存在冰水兩相時，β-雌二醇（E2）、炔雌醇（EE2）、雙酚A（BPA）的遷移速率存在差異。在凍結過程中水相E2 的質量濃度顯著大于完全溶解后水體中E2 的質量濃度（圖4(b)），在凍結過程中和溶解過程中水相EE2、BPA 的質量濃度均顯著大于未經凍融和完全溶解時的質量濃度（圖4(a)(c)）。說明在凍融的影響下，E2、EE2、BPA 均發生了由冰相向水相的遷移，再從冰體中釋放，但遷移速率有所不同。

圖4 凍融條件下水相中BPA、E2 和EE2 的質量濃度Fig. 4 Concentrations of BPA, E2 and EE2 in aqueous phase under freeze-thaw conditions

3 討 論

本研究發現凍融過程中存在物質向不同環境介質遷移的現象。水體凍結過程中，水相中TN、TP 的含量升高，即存在冷凍濃縮效應。因此，冰凍過程對于可溶性N 和P 物質組分而言，會隨著結冰過程而遷移停留在水相中。凍結過程中水相TN 的含量是原水樣TN 含量的1.47 倍，是完全凍結時冰相中TN 含量的1.93 倍，即冰相中有近半的含N 可溶性物質組分遷移到水相。本研究同樣發現含P 可溶性物質組分由冰相向水相遷移，凍結過程中水相TP 的含量是原水樣的1.13 倍，是完全凍結時冰相的1.30 倍。本研究結果與其他研究較為一致[8,28]。在凍結過程中，冰相中TN、TP 向水相遷移，隨著冰相體積的增加，水相中含N、P 可溶性物質組分可能進一步向沉積物遷移。凍結過程中水體DOC 的含量增加，水體完全溶解后，DOC 的含量顯著大于對照樣品（未經凍融原水樣）的DOC 含量，是原水樣的1.58 倍。溶解過程中，溫度的升高和外界擾動的增加可能導致沉積物中溶解性有機物向水體遷移。

通過分析DOM 組分在凍融過程的動態變化，發現在凍結過程中，水相中三類溶解性有機物類色氨酸、類酪氨酸、類腐殖酸的熒光強度由774.10、1 253.33、20 628.03 a. u.增強至938.03、1 416.67、24 178.37 a. u.。當完全凍結時，其熒光強度降低至691.83、1 149.00、14 810.70 a. u.。在溶解過程中，其熒光強度逐漸增強，完全溶解時熒光強度增強至732.53、1 207.33、19 382.67 a. u.。即凍融過程水體中的類色氨酸、類酪氨酸、類腐殖酸三類溶解性有機物在冰相中的含量降低，向水相遷移，再由水相向沉積物中遷移，最后在溶解過程中由沉積物再次釋放至水體中，但釋放的量少于吸附量，意味著部分DOM 在此過程中富集在沉積物中。

以雌激素類物質在凍融過程的遷移為代表，進行有機微污染物的凍融遷移定量化分析。研究結果發現，在凍結過程中，E2、EE2、BPA 三種雌激素在水相中質量濃度升高。這三種雌激素均屬于芳香族物質，通過檢測冰水兩相的SUVA254發現，凍結過程中水相的平均SUVA254是原水樣的1.11 倍，DOM 說明芳香族物質在凍融過程中，會由冰相向水相中遷移。相關性分析（表3）發現，SUVA254和DOC 具有顯著負相關性。在凍結過程中水相的DOC 含量和SUVA254均增加，而完全凍結時冰相的DOC 含量增加，SUVA254減小，DOM 中芳香族物質比例降低?？赡茉蚴潜w俘獲污染物受到冰體生長速率、污染物濃度、污染物性質等因素的影響，隨著冰凍時間的增加，冰?水固液界面處DOM 含量增加的速度大于DOM 向水相中擴散的速度，使冰體中DOM 含量增加[29]，而尺寸較大、形狀規則的污染物不容易被冰體俘獲[2]。因此在冰體生長速率、污染物性質等因素的影響下，完全凍結時冰相中DOC 含量增加，但芳香族物質向沉積物中遷移，使DOM 中芳香族物質的比例降低。SUVA254和FI 為顯著正相關性，在水相中DOM 含量增加時，芳香族物質比例增加，同樣說明了在水體凍結過程中，芳香族物質更易向水相中遷移。這與目前研究發現的在凍結過程中，芳香性較強的物質更難停留在冰相中的結論相符[30]。地表水冰封可能導致芳香族物質由冰相遷移入水相，進而富集在沉積物中，由此可能會導致沉積物潛在生態風險的提高。

已有研究發現由于冰層的形成，水體中總氮（TN）、總磷（TN）、葉綠素a、重金屬以及硝基苯污染物濃度上升[31-33]。冬季地表水形成冰層，冰下水體中污染物濃度升高。一方面是由于冷凍濃縮效應[34]，在水體結冰過程中固液界面上水分子在氫鍵的作用下析出，固液界面附近存在水分子濃度遠低于液相中水分子濃度，污染物濃度則遠高于液相中污染物濃度，因此污染物向冰下水體遷移[11]。此外，凍結過程中水體溫度降低，使得污染物溶解度降低，隨著冰層體積的增加，污染物進一步向沉積物遷移。另一方面則是由于冰層的形成導致污染物揮發減少，溫度的下降以及太陽輻射量的減少使污染物的生物、光降解等過程受到影響[35]。因此在地表水形成冰層的過程中，冰下水體中的污染物濃度升高。春季冰層溶解，積聚在冰體中的污染物在冰層融化的過程中釋放至水體，導致水體污染物濃度增加[35]。同時，春季冰雪融化形成的洪水使水?沉積物界面擾動增加，污染物由沉積物向水體中轉移。因此，季節性凍融過程影響污染物遷移轉化，將可能對水生態環境健康造成潛在威脅。目前對于TN、TP、重金屬在凍融過程中的遷移方向研究較多，但關于有機微污染物的研究較少，尤其是凍融過程有機微污染物在“冰?水?沉積物”體系中的遷移、富集和釋放的影響機理鮮有報道。因此，通過研究闡明其遷移方向與影響因素，將為凍融地區冬季地表水有機污染防治提供理論依據。

4 結 論

1）通過比較分析凍融條件下冰水兩相中溶解性有機物、TN、TP、芳香族物質含量的變化發現，由于冷凍濃縮效應，在冰體形成過程中類色氨酸、類酪氨酸、類腐殖酸三類溶解性有機物、TN、TP、芳香族物質均發生了從冰相至水相的遷移。隨著冰體體積的增加，這些物質進一步向沉積物遷移，隨后在冰體溶解過程中再由沉積物向水體釋放。溶解過程中沉積物向水體釋放的三類溶解性有機物、TP、芳香族物質的量少于凍結過程中遷移的量，意味著部分污染物在此過程中富集在沉積物中。

2）通過對比分析凍融過程中冰水兩相BPA、E2、EE2 質量濃度發現，在凍結過程中，3 種雌激素由冰相向水相遷移。相關性分析說明，在水體凍結過程中芳香族物質與含P 可溶性物質遷移趨勢的關聯較為緊密。

3）在地表水冰層形成過程中，污染物尤其是芳香類污染物向沉積物遷移并富集在沉積物中。冰層融化時，在溫度、外界擾動的影響下污染物由沉積物向水體釋放，也是導致春季地表水中污染物濃度升高的重要原因之一，可能對水生生態系統健康構成潛在風險。