高效体积排阻色谱法测定红花湖水中溶解有机质的分子量及其分布

高效体积排阻色谱法测定红花湖水中溶解有机质的分子量及其分布

天然溶解有机质（pm）是水中有机质的主要组成部分。它是由各种相似和复杂的有机化合物组成的混合物。DOM在水环境中起着重要的作用,它既是水环境中重要的配位体和吸附载体,对重金属元素和有机污染物在水环境中的迁移行为具有重要影响,又是供水中卤代烃的主要母体物质,可能造成对人体健康的威胁。天然水中的DOM一般是大分子有机物,通常含有酚羟基、羧基、醇羟基等多种官能团,能够和水中的金属离子络合。DOM与金属的络合能力与其分子量分布密切相关。例如,研究表明分子量较大或较小的DOM与金属的络合能力较弱。饮用水源中的有机物是评价水质量的一项重要指标,有机物的种类和特征直接影响水的质量,是水处理过程中主要的去除对象。此外,饮用水源中的DOM的分子量的特征对饮用水的处理工艺的选择有一定的影响。罗晓鸿等发现混凝沉淀对分子量大于3000Da的有机物具有较好的去除效果;生物处理对去除分子量小于500Da的有机物有很好的效果;而活性炭对分子量在500Da～3000Da的有机物具有很好的吸附作用。随着人们对有机物污染的重视,许多学者致力于有机物分子量的研究。例如罗晓鸿等对绍兴青甸湖、密云水库和淮河蚌阜段的水进行了分子量的研究,表明分子量的分布与水源有很大的关系。董秉直等人的研究结果也表明不同的有机物去除方法的效果与水源的分子量分布有关。此外他们还测量了黄浦江水源水中DOM的分子量分布的季节性变化,认为低分子量的溶解性有机物占多数,且DOM的含量在夏季时偏高,冬季偏低。此外不同地区的DOM的分子量分布也不同,张甲申、陶澍等研究了土壤中的水溶性有机物的区域性变化,发现DOM的分子量分布有自东北向西南递减的趋势。以往的DOM分子量分布的研究主要集中在分子量的分布范围,以及在水处理工艺中的应用。但是他们所用的测量方法都是膜渗透法,这种方法最大的不足就是不能同时测量水中溶解有机物的平均分子量。湖泊水作为饮用水的水源,其DOM的分子量分布同样重要。本文利用高效体积排阻色谱法(High-PerformanceSizeExclusionChromatography,HPSEC)测量了贵州百花湖水中DOM的分子量分布及其垂直变化规律,对了解DOM分子量分布及其环境行为特征具有重要的意义,同时也为水处理工艺提供理论依据。HPSEC是目前应用最广泛的测量有机物分子量的方法,它的原理就是在色谱柱中装填一定孔径的多孔凝胶作为固定相。当样品流经凝胶时,样品中的大分子有机物由于其分子直径大于凝胶孔径而无法进入凝胶,从而较快地通过凝胶色谱柱,小分子的有机物可以进入多孔凝胶内,与凝胶发生吸附解吸作用而在凝胶中运动的路径较长,因此通过色谱柱的时间就较长,而较慢的流出色谱柱。这样,根据不同分子量的有机物进入凝胶的能力大小,通过色谱柱时间的不同,从而按分子量大小的先后次序分开。HPSEC之所以被广泛接受,是因为它具有比其他方法更独特的优点,主要包括它不仅可以测量有机物的分子量分布,还可以同时测量重均和数均分子量;样品的预处理过程简单;实验过程中所用的样品量很少(几十微升);仪器比较稳定,操作也简单;样品洗脱曲线的重现性比较好(RSD=0.9‰);洗脱速度快(～15min),灵敏度高等。这些优点使HPSEC成为目前测量有机物分子量最有利的实验技术。我们的研究对象是百花湖,它位于贵州高原的中部,地理坐标为:东经106°27′～106°34′;北纬26°35′～26°42′,是贵州第二大人工湖泊,它的上游为红枫湖,下游为乌江的一级支流猫跳河。百花湖是贵阳市饮用水的主要水源,所以很有必要研究百花湖的有机物分布。1体外检测仪器和标准物质的制备采样在2003年7月份进行,主要对百花湖B点剖面进行分层采样,从表层水开始每隔2米采一个水样。在现场进行温度测量,同时进行溶解氧(DO)的固定。回到实验室马上用玻璃纤维滤膜过滤(Waterman,GF/F)后储存在+4℃的阴暗处,用来进行溶解性硅、溶解有机碳(DOC)和分子量分布的测量。滤膜上的残留物用来测量叶绿素a(chla)。利用高效液相色谱进行分子量的测定,仪器设备主要由高压泵(HewlettPackard1100)、紫外可变波长检测器、流动相和20微升的手动进样器(7725i)组成,所用的分离柱是二醇基凝胶柱(5μm,60Å,0.6cm×30cm)。流动相为0.001M的磷酸盐缓冲液,为了减小样品和凝胶之间的相互反应,向其中加入0.03MNaCl。实验过程中流动相的流速为0.5ml/min。紫外检测器的波长为254nm。整个实验过程由计算机控制。用标准物质聚苯乙烯黄酸钠(PSS)(MW,6800,4300,1400和210Da)和丙酮(MW=58Da)来校正DOM的分子量。主要原理就是利用已知分子量的标准物质,在与样品相同的实验条件下进行色谱分析,求得其分子量与保留时间之间的关系,利用此关系,由样品的保留时间就可以求出样品的分子量。标准物质的分子量与洗脱体积之间的关系如图1所示,拟合的线性关系如式1,相关系数为0.93。其中,MW为分子量,Vt为洗脱体积。所得到的实验数据通过以下公式计算DOM的重均(Mw)和数均(Mn)分子量:其中hi表示样品在洗脱体积为i时的检测器的吸收值。Mi为洗脱体积为i的分子的分子量,n为样品中不同分子量的分子的数量。总有机碳(Dissolvedorganiccarbon,DOC)的测量主要在总有机碳分析仪(HighTOC/NⅡ,Elementar,Germany)上进行,利用高温催化氧化法。Chla测定采用丙酮萃取分光光度法。溶解氧(DO)的测定采用碘量法。溶解态硅含量的测量利用硅钼黄光度法。2结果与讨论2.1分子量分布的特征由HPSEC测量的百花湖水中溶解有机质的洗脱曲线如图2所示(图中只标出了表层水中DOM的洗脱曲线),可以看出,洗脱曲线是由多个单峰组成,各个峰之间没有完全分开,主要是由于DOM是一种组成不均匀、结构复杂的有机物的混合物。根据体积排阻色谱法的原理可知,分子量大的DOM首先从柱中流出,小分子量的组分后流出,从而DOM的分子量分布从左向右连续分布且逐渐减小。为了进一步研究不同分子量组分随深度的变化规律,可以把有机物根据不同分子量分为四个组分:大分子量组分主要包括峰1,MW>3500Da;中等偏大的分子量组分包括峰2和3,WM界于3500Da～2000Da;中等分子量组分包括峰4,MW界于2000Da～1000Da之间;小分子量组分包括峰5和6,MW<1000Da。而峰7则表示溶剂峰,在空白实验中也会出现,所以在计算平均分子量时可以减去此峰。由各峰面积所占总面积的百分含量代表各组分所占的总DOM的百分含量,由图2还可以看出,分子量界于3500Da～2000Da之间的组分含量最大,所占的比例为45%～55%,其次是分子量为2000Da～1000Da的组分(26～32%),分子量小于1000Da的组分含量为12%～22%,含量最少的组分为分子量大于3500Da的DOM(2～6%)。因此可知百花湖水中的DOM主要是由分子量小于3500Da的有机物组成,显示出湖泊水质的特点。湖泊水质的特征就是有机物多为溶解性的低分子量有机物,主要为土壤有机物和藻类、水生植物的代谢物所产生的,其特点就是分子量小,多在几百到几千道尔顿。罗晓鸿等测量了绍兴青甸湖的分子量分布后得出,分子量小于1kDa的有机物占45%。董秉直等在测量黄浦江水源的分子量分布时也认为,分子量小于1kDa的有机物占44%是受湖泊水质影响的结果。本实验测量的DOM的分子量分布的结果也证明了百花湖中的DOM显示典型的湖泊有机物的特征。由图2还可以看出,有机物的分子量分布从几百到几千道尔顿,说明水中的DOM是多分散性的有机物。Mw/Mn的比值(ρ)表示有机物分子的分散程度。对于纯净的有机物来说,ρ=1。对于混合的大分子有机物,ρ>1。本实验所测的DOM的Mw的值大于Mn的值,ρ>1,也证明DOM是多分散性的。2.2深度对构成湖泊水体纤维素含量的影响DOC的含量随深度的变化如图6所示,在表层水中DOC的含量最高,达2.35mg/L,随后含量降低,在3米以下DOC含量的变化不大,在2.21mg/L～2.04mg/L之间。就各分子量组分随深度的变化如图3所示,不同分子量组分的含量随深度变化的趋势明显不同,其中含量最少的大分子量组分在水体上部随深度的增大而略微变小,到11m处达到最小值(2.7%),随后又缓慢变大。含量次少的小分子量组分在表层水中含量偏大,达到22%,随后逐渐减小,到底层15m处,达到最小值,13.9%。中等分子量组分的含量随深度略有减少。含量最大的中等偏大分子量的组分随深度的增大而增大,到底层15m处,含量达到总有机碳的54.2%。总的来说,随深度的增大,分子量为3500Da～2000Da的组分含量增大,其他组分的含量都有不同程度的减小。不同分子量组分的含量随深度的变化特点表明百花湖中的溶解性有机物的分子量与其来源和地球化学环境有关。夏季为多雨的季节,雨量充沛,由于降水径流的作用,进入湖泊中的土壤有机物增多,土壤中的有机物多为小分子量组分,进入湖泊中的土壤有机物还来不及向下迁移,所以在表层表现出小分子量组分含量较下层多。同时在表层DO和chla的含量高(图5、6),说明生物活动强烈。生物活动可以产生新的溶解有机质,一般为小分子有机质,在表层DOC的含量高也证明了这一点(图6)。同时进入湖泊中的土壤颗粒有机物发生了降解作用,产生大分子量组分,也造成大分子量组分略有增大。在0～3m,这两种分子量组分的含量都表现出略微减小,这可能是由于有机物在向下迁移的过程中发生了分子转化。大分子量组分在光照和充足氧气条件下容易发生降解作用,使大分子有机物转化成小分子有机物,而小分子量组分进一步发生矿化,生成CO2和H2O及小分子无机物,同时在这一区域环境条件也适宜于微生物生长繁殖,微生物的降解也是分子量减小的一个重要原因,从而造成小分子量组分也减少。分子量界于2000Da～1000Da的组分在随深度的增大基本保持不变,这可能是由于其降解的部分和由大分子量组分经过降解而转化为这部分的含量相当。而3500Da～2000Da的组分可能是其降解的部分比生成的部分少,而表现出含量随深度而增大。同时一些大分子量和小分子量组分的减少,也造成这部分的含量相对增大。2.3实验设计和分子根据实验所得到的DOM的洗脱曲线的数据,结合式(2)和(3),计算了DOM的平均分子量(Mw和Mn)(图4),可以看出,Mw比Mn的值较大,约400Da,但是它们随深度的变化趋势相同。表层水中分子量略微显小,在3m～13m区间,分子量基本保持稳定,到底层15m处,分子量又增大。由地下水对土壤渗滤和降水径流进入湖泊的土壤有机物一般是低分子量组分,分子量多在几百到几千道尔顿,这是湖泊表层水中的有机物分子量降低的又一个原因,这与小分子量组分在表层水中的含量较高相一致。由于大分子量组分的含量很小,对平均分子量的影响不大。从0m～3m,分子量的变化较大,由图5和6可以看出,在3m以上DO,chla和温度都较高,光照和微生物活动都比较强烈,有机物在向下层迁移的过程中,发生了光降解和微生物降解,同时一些颗粒态有机物发生了分解,转化成大分子量组分的有机物,所以分子量变化相对较大,此时分子量增大的原因可能是颗粒态有机物的分解作用大于有机物的降解作用。在5m以下,DO,chla和温度迅速降低,说明湖泊水出现了分层现象,由于湖泊水分层的影响,上层水体与下层水体之间的交换减少,生物活动和降解作用减弱,同时存在一些由颗粒态的有机物转化成的大分子量组分,所以分子量比上层要高。在5m～13m分子量基本保持稳定,说明其物理和化学条件基本上没有发生变化。由不同分子量组分随深度的变化规律可知,在此区间各分子量组分的含量有一些变化,但是这些变化没有引起平均分子量的变化。在湖泊的最底层13m处,Mw和Mn达到最大值,分别为2480Da和2110Da。此处的DO、光照、chla的含量都降低,有机物的降解能力也减小。由图6可知,在此处DOC的含量又有略微增大的趋势,说明在底部颗粒态有机物的分解能力大于有机物的降解能力,表现在分子量上说明大分子量组分比小分子量组分含量大,这与实验所得的分子量分布的结果一致(图