1 引言

水污染问题受到越来越多的重视，成为人们热议的话题。随着中国工农业的迅速发展，人们的生活水平的提高，对水质量的要求越来越高。但因水土流失，水源污染等因素的影响，地表水成分逐渐趋于复杂，有机成分增多，饮用水处理难度增大。溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)一般是指能通过孔径为0.45微米滤膜、并在分析过程中未蒸发失去的有机碳。流入水体的DOM分为内源和外源。外源DOM主要由陆地生态系统产生，经地表径流进入湖泊; 而内源DOM则是湖泊中植物和细菌等在生长过程分泌或死亡过程分解产生。DOM富含的大量碳、氮、磷生源要素，可以通过被微生物利用进入到食物网中，在水生生态系统物质循环和能量流动中扮演重要的角色[1]。并且由于DOM的高活性和多基团特征，其在水体中具有吸附／解吸、稳定／降解等环境行为[2]。光降解是水环境中溶解有机质（DOM）去除的重要过程，DOM在光照条件下会降解为水和二氧化碳[3]。溶解性有机质的光化学转化途径有 2 种。一是直接光解，指DOM中 CDOM 吸收光子后，形成激发态 CDOM，其苯环发生破裂、双键断裂而使结构产生变化[1] ; 二是间接降解，是指激发态CDOM 和溶解氧(DO) 发生一系列的电子转移反应，形成活性氧物质(ROS)，如羟基自由基、活性氧自由基和双氧水等，这些 ROS 和 DOM 发生氧化反应，使大分子结构 DOM 转化成小分子物质，生成小分子有机酸[4] ; 或使其转化为芳香类物质。因此，对这 2 种反应产生时的环境和条件，都一定程度控制着 DOM 的光降解过程及效果。

纳米级二氧化硅（胶体颗粒）为无定形白色粉末，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。归因于其多孔结构和丰富的表面负电荷，纳米颗粒物具有良好的吸附能力和易再生优势。纳米二氧化硅会与DOM结合，并对它的光降解造成影响[5]。但是，目前对于纳米二氧化硅对DOM降解的研究相对较少。南京市属于亚热带湿润气候，年平均气温15.3℃，6月中旬~7月初为梅雨季节。一年四季都收到太阳辐射，有利于DOM发生光降解。由于纳米颗粒可吸附有机质，所以加入纳米二氧化硅材料可能抑制水样DOM的光降解。本实验有助于理解纳米二氧化硅材料对南京城市中水体有机物光降解的影响。

2 材料与方法

2.1 材料

我们使用的材料有：采水器，0.45微米滤膜，抽滤器，纳米二氧化硅，紫外光降解仪，紫外可见分光光度计，总有机碳分析仪。不同浓度的物质吸光度不同，浓度高的物质吸光度强，浓度低的物质吸光度弱。紫外可见分光光度计会显示某一溶液对于不同波长光的吸光度。我们可以以此来推断出该溶液的浓度。若水体样品的在254 nm波长处吸光度下降，则说明水中DOM中的芳香性物质的浓度下降了。本降解反应装置为南京胥江机电厂制备的XPA⁃多试管搅拌型光反应仪。反应在汞灯光激发下进行。反应容器为50.0 mL石英管，与光源距离约为5.0 cm，整个反应装置处于暗箱中。

2.2 实验步骤

我们在珍珠河（北纬32°3′35″，东经118°47′34″）、玄武湖（北纬32°3′41″，东经118° 48′ 28″）以及南京中科院小池塘（北纬32°3′39″，东经118°48′1″）3个地点进行水体采样。采集完成后先在实验室低温保存。我们先通过0.45微米滤膜搭配抽滤器过滤了采集到的水体样品。然后，我们将每一个位置的水样分成两份，倒入试管中（共有6份样品）。接着，我们挑选三个不同位置的水样，在三个样品中加入等量的纳米二氧化硅颗粒（浓度5 mg/L），设立对照实验对象。最后，我们将6个样品放入紫外光降解仪，让水体中的DOM进行光降解。我们在0，0.5，1，2，4，8，12，24h光照时间将6份样品全部取出，将它们放入紫外可见光分光光度计中，检测样品的吸光度。样品吸光度越高，则说明DOM浓度越高。所以，我们通过每个样品的吸光度来计算其中DOM的浓度，并绘制了DOM浓度随时间变化，DOM降解速率等多个图表。

3 结果与讨论

图1 不同水样DOC浓度变化情况及降解效率(左:不加胶体颗粒；右:加胶体颗粒)

由图1可知，一开始，池塘水体的DOM含量最高，以DOC浓度计，可达13.56 mg/L，玄武湖和珍珠河水体的DOM浓度分别为7.38 mg/L 、5.76 mg/L。随着紫外光照时间的增加，DOM浓度逐渐降低，说明紫外光促进了水体中DOM的降解。在未添加胶体颗粒的水样中，珍珠河在24 h的降解率为71.7%，而玄武湖、池塘两个水体的DOM降解率均为67%左右；在添加了胶体颗粒后，珍珠河、玄武湖以及池塘三个水体的DOM降解率分别为64.4%、64.0%、71.5%，这说明，胶体颗粒的添加降低了珍珠河和玄武湖水体DOM的降解率，且对珍珠河的影响更大，而池塘水体DOM的降解效率反而增加了。池塘和河流的水体特性不同。小池塘通常比河水及湖水更加静止，水体深度相对较小；而河流水流较快，水体深度相对较深。这导致了池塘和小河流中DOM的分布和混合程度不同，胶体颗粒物对其的吸附和影响程度也不同。在某些情况下，胶体颗粒物会与DOM形成假体颗粒物复合物[6]，从而增加DOM的光降解速率，其他情况下，胶体颗粒物可能会减少光照度，降低DOM的光降解速率。

图2 不同水样在254 nm吸光度变化情况及降解效率(左:不加胶体颗粒；右:加胶体颗粒)

图3 不同水体DOM降解动力学

图3所示，拟合直线的斜率代表DOM的光降解速率。对于玄武湖和珍珠河两个水样，加入纳米二氧化硅后，图中斜率分别从0.042降低到0.0387和从0.0453降低到0.0375，说明纳米二氧化硅使其降解速率减小。但是对于池塘水样，加入纳米二氧化硅后使DOM的降解速率从0.0393增加到0.0447。

图4 不同水体芳香性DOM降解动力学

图4中，拟合的直线的斜率代表芳香性物质光降解速率。玄武湖以及珍珠河在加入纳米二氧化硅之后，直线斜率分别从0.071降低到0.0548以及从0.071降低到0.0578, 都减少了芳香性物质光降解的速率，但是池塘加入纳米二氧化硅之后芳香性物质光降解速率从0.0643增加到0.0755。

通过数据分析，我们猜测加入纳米二氧化硅后水体中DOM以及芳香性物质的降解速率变化可能与以下两个因素相关：

1. 不同水体中的环境因素不同。

2. 不同水体中的芳香性物质的性质不同。

基于以上因素，我们推断：池塘在中加入纳米二氧化硅后，池塘中的纳米二氧化硅可能更容易吸附部分芳香性物质和DOM，剩下的部分会提高其光降解速率；而珍珠河以及玄武湖水样中的纳米二氧化硅可能更容易与芳香性物质形成复合物而不是吸附，使得光降解速率降低。

4 结论与展望：

DOM（溶解有机物）的光降解速率取决于多种因素，包括光照强度、水中的DOM浓度、水质pH值等。珍珠河和玄武湖水体加入纳米二氧化硅后，纳米二氧化硅会与DOM结合形成复合物，并抑制DOM和芳香性有机物光降解的速率。DOM的光降解速率变小可能还与以下几个因素有关：

1. 光学效应：纳米二氧化硅具有较高的折射率，会增加水中DOM对紫外线的吸收，降低紫外线透过DOM层的强度，从而减少DOM的光降解速率。[7]

2. 光反应：纳米二氧化硅在紫外光的光学作用下会生成自由基[8]，这些自由基可以与DOM反应，形成难被降解的高分子有机物，从而降低DOM的光降解速率。

3. 与水中DOM吸附：纳米二氧化硅的三维网状结构使其表面具有较强的吸附性能，可以吸附DOM，从而减少DOM在水中的浓度，降低DOM的光降解速率。

对于小池塘，加入纳米二氧化硅之后DOM和芳香性有机物光降解的速率是增加的。所以我们推测，因为小池塘DOM的浓度较高，加入纳米二氧化硅之后会吸附一部分DOM，与它们结合，剩下的DOM会加速光降解。

在后续研究中，可以在实验室配比含有不同浓度的DOM溶液，验证是否DOM初始浓度低时纳米二氧化硅会抑制降解；DOM初始浓度高时，纳米二氧化硅会促进降解。并且，可以向不同水样中添加会进行反应并产生沉淀的化学物质，探究不同水体中DOM的组成，以此来进一步探究纳米二氧化硅与其发生的反应并对其光降解造成的影响。

参考文献：
[1] 安世林,罗春燕,陈煜 & 杜瑛珣.(2022).亚高山湖泊天才湖周边土壤腐殖酸的光降解研

究. 湖泊科学(02),553-568.
[2] 李芳芳,徐华成 & 江和龙.(2021).胶体TiO_2颗粒对不同来源溶解性有机质光降解的

影响:基于分子量差异分析. 湖泊科学(04),1163-1174.
[3] 卓健富.(2021).异源海洋溶解有机质的光降解动力学. 渔业研究(01),21-27.  

[4] Ward, C. P., & Cory, R. M. (2020). Assessing the prevalence, products, and pathways of dissolved organic matter partial photo-oxidation in arctic surface waters. Environmental Science: Processes & Impacts, 22(5), 1214-1223.

[5] 刘艳芳,崔龙鹏 & 侯吉礼.(2022).煤气化飞灰合成有序介孔纳米二氧化硅及其吸附罗丹

明B的性能. 煤炭学报(11),3990-3997. doi:10.13225/j.cnki.jccs.L022.1118.

[6] 孙涛. 农田管理对稻田系统汞甲基化及其分布与积累的影响[D].西南大学,2019.DOI:10.27684/d.cnki.gxndx.2019.000095.

[7] 俞安琪. 水环境中微塑料对重金属离子的吸附行为及其机理[D].江苏海洋大学,2022.DOI:10.44354/d.cnki.gjsuy.2022.000039.

[8] 李雨纯. 聚丙烯复合材料的阻燃抗老化性能和作用机理[D].北京化工大学,2022.DOI:10.26939/d.cnki.gbhgu.2022.000154.