1. 引言

随着我国畜禽养殖业规模化、集约化的发展[1]，畜禽粪便排放密度逐渐增加，导致水生生物的大量丧失[2]。现阶段，全国农村用于农业生产产生的畜禽粪便约4.5 × 10⁹t[3]畜禽养殖污染已成为我国环境污染急需解决的问题之一。因此，建立一种快速检测畜禽污水方法可以更早地确保水质，对附近居民和养殖户的生活和健康提供保障。

溶解性有机质(DOM)由分子大小各异、结构各异的有机物组成，普遍存在于天然水体中，对水生生态系统的结构和功能有重要影响[4]。它主要由色氨酸、腐殖酸和富里酸组成，来源于陆地径流、大气沉降、人类活动和水生生物降解的内源性释放[5]。三维荧光光谱技术作为一种新型的光谱指纹技术，通过其独特的光谱特征，具有操作简单、选择性强和成本效益高的特点，高效揭示了水体中DOM的荧光成分[6]。但由于该方法没有对检测出的荧光峰重叠部分进行完全扣除，所得图谱不精准。因此，利用化学计量学对三维荧光光谱数据进行特征组分提取，才能更好解析DOM。Ignatev等[7]采用三维荧光光谱法对某污水处理厂废水中的DOM进行了观察，发现酪氨酸样、色氨酸样、腐殖质样和富里酸样物质是污水中存在的主要荧光成分；李晓洁等[8]采用平行因子分析和三维荧光光谱技术，对浑河在沈阳市的支流西河的DOM组成及分布特征进行了分析；黄廷林等[9]通过对周村水库夏季水样三维荧光光谱的检测，对周村水库DOM组分特征进行了调查研究。而在畜禽污水中，常规水质监测仍旧采用理化指标测定，如化学需氧量、酸碱度等，所得的结果片面性强，因此这种方法往往要求对多个指标进行综合分析[10]，且测定步骤繁琐、耗时耗力，无法及时有效地实时在线检测。

基于以上研究，本项目以市内郊区某奶牛场、猪场、鸭鹅混合养殖场等畜禽污水和校园荷花池水作为研究对象，通过检测水体三维荧光光谱，结合平行因子分析方法获取DOM组分特征，分析指标相关性，提高水质监测能力。项目为畜禽规模化养殖场等水质品质快速预测及治理提供思路，为推进宜居宜业和美乡村建设打下坚实基础。

2. 材料与方法

2.1. 材料、试剂与仪器

水样来源：奶牛场、猪场、鸭鹅混合养殖场、校园荷花池。

试剂：浓硫酸、0.01 mol/L高锰酸钾溶液、0.02 mol/L硫代硫酸钠标准溶液、1%淀粉溶液、碱性碘化钾溶解、硫酸锰溶液、超纯水、无水乙醇、化学需氧量(COD)测定试剂盒。

仪器：紫外可见分光光度计(UV-1900；岛津仪器有限公司)、荧光分光光度计(F97XP；上海棱光技术有限公司)、ME104型电子天平(Mettler toledo公司)、水浴锅、pH计、笔式电导率仪(DDB-12L)。

2.2. 试验样本

样本采集：采取奶牛场、猪场、鸭鹅混合养殖场、校区荷花池等不同样点水各三份装入1.5 L采样瓶中[11]，并分装进100 mL瓶中，依次加入0.4 mL硫酸锰溶液、0.8 mL碱性碘化钾用以固定溶解氧，封瓶贴上标签写明样品、日期等。

样品处理：将样品用0.22 um滤膜进行过滤。奶牛场原液和发酵液由于掺杂的杂质过多，需要预先进行纱布过滤，并稀释10倍处理。

2.3. 测定指标及方法

2.3.1. 三维荧光光谱测定

开启荧光分光光度计进行预热，约5分钟。预热完成后，设置激发波长(E_x)为200~650 nm，发射波长(E_m)为200~800 nm，激发采样间隔为10 nm，扫描速度为15,000 nm/min，扫描间隔1 nm，激发带宽10 nm，发射带宽10 nm。一个样品进行3次扫描，完毕后导出原始数据表格。以娃哈哈超纯水为空白，后续采用Delaunnay三角形内插值法扣除空白荧光光谱，消除拉曼散射对结果的影响；为了消除瑞利散射的影响，将其相关数据设置为0[12]。用Matlab R2018b软件畜禽养殖废水荧光光谱数据进行绘图并进行组分分析。

2.3.2. 理化指标的测定

(1) 溶解氧

加入0.8 mL浓硫酸至水样中，盖盖摇动均匀，使沉淀物溶解，把样品置于阴暗处避光5 min，充分析出I₂。精确移取50 mL水样于锥形瓶内，用标准Na₂S₂O₃溶液滴定至浅黄色(接近滴定终点)，加入2 mL淀粉溶液，继续滴定，使蓝色变为无色且半分钟内不褪色。记下消耗Na₂S₂O₃标准溶液的体积，平行测定三次[13]。

${\bar{V}}_{{\text{Na}}_{\text{2}}{\text{S}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}}\left(\text{ml}\right)=\left[V_{{\text{Na}}_{\text{2}}{\text{S}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}}\left(\text{I}\right)+V_{{\text{Na}}_{\text{2}}{\text{S}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}}\left(\text{II}\right)+V_{{\text{Na}}_{\text{2}}{\text{S}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}}\left(\text{III}\right)\right]$

$溶解氧\left(\text{mg}/\text{L}\right)={\bar{C}}_{{\text{Na}}_{\text{2}}{\text{S}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}}\times {\bar{V}}_{{\text{Na}}_{\text{2}}{\text{S}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}}\times 32/4\times 1000/V_{水}$

(2) 化学需氧量(COD)

精确量取水样和纯水各5 mL于比色管中，依次加入硫酸5 mL、0.01 mol/L高锰酸钾溶液1.25 mL，置于100℃的水浴锅内加热消解30 min。冷却至室温后，在波长525 nm处测定吸光度[14]。

(3) pH

将pH计校准后，分别测定3次水样和纯水的pH值。

(4) 电导率

将笔式电导率笔校准后，分别测定3次水样和纯水的电导率值。

2.4. 数据处理与方法

将所有记录的三维荧光光谱数据以“xlsx”数据导入并排列成三线性多路数据数组；在采用MATLAB R2018b进行PARAFAC分析之前，根据Stedmon[15]等人描述的方法对数据集进行预处理、校正和归一化；采用Origin绘制相关性热图。

3. 结果与分析

3.1. 三维荧光光谱

3.1.1. 不同来源水体荧光特征

奶牛场、猪场、鸡鸭混合养殖场、校区荷花池等水体等高线见图1。如图1(a)显示了奶牛场畜禽污水的荧光主要存在于三个区域。在400 nm/686 nm附近存在荧光峰，显示出最强的荧光(强度超过10,000)，在400 nm/423 nm附近显示出荧光峰，显示出中等的荧光水平(强度约为7630)，600 nm/680 nm附近没有明显的荧光峰，只有具有弱荧光信号的峰带。图1(b)的分析表明，猪场畜禽污水原液荧光主要在单个区域显示荧光特性，荧光峰以340 nm/436 nm为中心，强度约为8139。图1(c)来自鸡、鸭和鹅混合养殖场

Figure 1.Contour maps of water bodies from different sources

图1.不同来源水体等高线图

的畜禽污水的荧光主要占据单个区域，荧光中心位于约360 nm/434 nm处，强度约为8602。如图1(d)，校区荷花池水样荧光在290 nm/300 nm附近，荧光强度为1635。连续采集的水样在平行实验中得到的图谱数据都有相似的荧光峰，说明了畜禽污水原液样品中有机成分的稳定性保持不变，样品间具有一致性。

通过对目标分子的发射和激发波长范围的检查，可以确定每个荧光峰类型。250~330 nm/200~250 nm范围内检测到酪氨酸样物质、在270~290 nm/320~370 nm内检测到色氨酸样物质、380~550 nm/220~250 nm范围内含有富里酸样物质、在250~380 nm/250~600 nm范围内包含微生物活动相关产物物质、250~440 nm/250~461 nm范围内检测到含有类腐殖酸样物质[16]。结果表明，奶牛场畜禽污水原液中含量最多的物质是类腐殖酸；猪厂原液中含量最多的物质为微生物活动相关产物。该结果与采样环境吻合度较高。图中清晰可见奶牛场的荧光物质与其他畜禽废水样品的显著不同，存在最大荧光峰值的偏移，即红移。归因于畜禽污水中溶解有机物(DOM)的腐殖化水平增加，导致金属阴离子和氧阳离子的电子吸收基团的浓度升高，以及芳烃的增加，从而提高了污染物大分子中链芳环和共轭不饱和键的数量。

3.1.2. PAPAFAC模型分析

由于不同物质之间的荧光光谱重叠，因此无法很好的采用三维荧光光谱对特定物质进行准确分类，只能粗略地对特定荧光区域中主要贡献物质进行判断。因此，采用PAPAFAC模型[17]对畜禽养殖废水进行分离，以此更好解析各畜禽污水的荧光源。

畜禽污水样品各成分荧光光谱，经解析得到4种组分，见图2。组分1在330 nm处有单个激发峰，组分2分别在270 nm和360 nm处有共计两个激发峰。组分3在280 nm处有单个激发峰，组分4在410 nm处存在单个激发峰。结合资料(表1)，综合分析得，C1是微生物活动相关产物，主要是由于浮游生物的活动，由于浮游生物的相互作用导致荧光物质分子结构不稳定[18]；C2是类腐殖质酸，常见于农业和家庭污水，它具有复杂的分子结构和比富里酸更强的芳香性质，在人类活动区和农田附近的水体中普遍存在。它与有机肥料的使用有关，并且对微生物分解或光降解具有抵抗力[19]；C3是类色氨酸，通常来源为水中浮游植物和微生物分解产生的溶解物质。它通常以游离形式存在或与大分子蛋白质结合，存在于垃圾填埋场的渗滤液中，并受到通过生活污水和废水排放引入的微生物的影响[20]；C4为类胡敏酸，主要来源于生活污水[21]。

利用PARAFAC获得的F_max参数进行评估各种水体中溶解有机物(DOM)的比例，结果如图3。由图3可知畜禽养殖场水样的F_max值显著高于校区，表明污染严重。这可归因于水循环有限、沉积物堆积时间长、畜禽养殖场的废水直接排放以及生活污水等因素。来自学校场地的水样的F_max相对较低，水质较好，主要为水池水源，造成污染主要是由于水循环有限、枯草覆盖以及沉积物沉积造成的。每个采样点的DOM荧光光谱均呈现出图3所示的4种荧光物质。这表明畜禽污水和校区水体中的荧光成分在类别和来源上是一致的，DOM荧光成分的组成没有显著差异。其中，牛场畜禽污水水样类胡敏酸质量相对占比最大，为58%，类色氨酸的质量相对占比最小，为4%；猪场水样类胡敏酸质量相对占比最小，为

Table 1.Characteristics of fluorescence components of DOM in livestock and poultry sewage samples

表1.畜禽污水样品DOM荧光组分特征

Figure 2.PARAFAC analysis of DOM fluorescence components in livestock and poultry sewage

图2.PARAFAC解析畜禽污水DOM荧光组分

Figure3.F_maxvalue and proportion of fluorescence components of DOM in each water sample

图3.各水样DOM的荧光组分F_max值及其占比

4%，而类色氨酸、类腐殖质酸、微生物活动相关产物的质量相对占比相当。

3.1.3. 相关性分析

为进一步确定畜禽污水水样DOM的来源，对畜禽污水水样基于水质参数(COD、电导率、pH、溶解氧)及三维荧光光谱参数指标进行了相关性分析，热力图结果如图4。由图结果表明，C4与水质参数溶解氧、电导率均显著正相关(P < 0.01)，C1、C2、C3与水质参数COD、pH均显著正相关(P < 0.01)。其中，C3与COD、pH的相关性最强(r = 1.0, P < 0.01)，同时，C1、C2、C3各组分之间也均具有显著的相关性(r = 1.0, P < 0.05)。因此，利用水样DOM特征参数和水质参数对水样溶解有机质(DOM)组分进行相关性分析，有助于评估畜禽废水的有机质性质，更有效地评估和管理控制有机污染物。

Figure 4.Correlation heat map of water quality parameters and three-dimensional fluorescence parameters of sewage samples

图4.污水水样水质参数及三维荧光参数指标的相关性热图

4. 结论

(1) 畜禽污水进行三维荧光指纹特征分析，具有明显优势，对畜禽污水的监管和水质监测具有重要的参考价值。

(2) 通过PARAFAC得出畜禽污水4组分荧光光谱模型，组分C1为微生物活动相关产物，组分C2为类腐殖质酸，组分C3为类色氨酸，组分C4为类胡敏酸。

(3) 相关性分析显示，DOM中的组C1、C2、C3与pH、COD呈显著正相关(P < 0.01)，组分特征结果可作为畜禽污水物质动态追踪，也给畜禽污水水质变化提供了快速、有效的检测手段。

基金项目

安徽省教育厅重大基金项目(No. 2022AH040154)、滁州市科技局指导性计划(No. 2021ZD025)、校级重点研究项目(No. 2022XJZD22)。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献