淡水环境中可溶有机质研究进展

贾国元，曾 提，贾国东

（1.长春水务集团城市排水有限责任公司，吉林 长春 130022；2.中国科学院广州地球化学研究所，广东 广州 510640）

1 引言

在河流、湖泊等湿地淡水环境中的天然有机质（NOM）是水体中由各种有机分子构成的复杂混合体，是重要的生物地球化学载体。NOM在将碳、营养元素、微量毒性金属和有机污染物等从流域生态系统向海岸带生态系统的输送过程中起着十分重要的作用；同时，NOM本身是水生生态系统中微生物和某些藻类重要的能量（碳）和营养（氮）来源，对水生生态系统结构、水体环境和营养水平具有显著影响；而且，NOM在流域整个生态系统内具有很强的迁移性和较快的周转循环，对生态系统变化（甚至区域气候变化）的响应快速而灵敏［1］。因而，NOM成为国际上多年来淡水生物地球化学研究的中心课题之一，很多新的研究手段和方法开始应用于对NOM的物质来源、迁移转化、生物可利用性、生态效应等方面的研究。同时，它还是环境污染控制与治理技术研究中的理论基础，是目前生态学、环境质量标准、毒理学、环境立法和政策管理研究共同关注的科学问题。本文主要针对NOM中的可溶有机质（DOM）部分的一些研究进展进行简要的介绍。

2 DOM的分离与表征

通常以0.45μm滤膜为准，把NOM划为两种主要存在形式:被滤膜截留的颗粒有机质（POM）和通过滤膜的DOM。DOM质量中有大约50%是C元素，后者可以通过氧化或燃烧的方法进行定量（即DOC），因而DOC的含量通常被用来表示水体中DOM的含量。如何高效提取DOM在技术上一直是一个挑战性很强的课题，初期曾是以XAD树脂和C18固定相的固相萃取法为主，经大量研究表明这种方法的截留效率不高，会有相当部分的DOM流失，因而不利于对DOM的完整表征［1］。最近，有报道利用碳纳米管对DOM的亲和性开发出了新的固相萃取技术，但此法目前的回收率仍然不理想（30%～80%）［2］。超滤方法可从大体积量的水体中富集DOM［3］，也得到了很多应用，但此法依然存在DOM流失的问题，尽管比固相萃取法要好很多。目前发展最快，有可能成为标准常规方法的是反渗透法［4，5］。该法应用的反渗透膜能截留大于0.1nm的物质，是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物，同时允许水分子通过。

DOM是复杂的多分子混合物，且难以分离到分子水平，因此对其进行结构和化学的表征一直是科学和技术上的一个关注点。其中，吸收和萤光光谱法是最常用来确定DOM主要结构特征的常规方法，某些特定的吸光系数和荧光指数常被用来指示DOM的成分和来源。如，单位DOC的300～350nm的吸光度可以指示DOM中的芳香物质［6，7］；而由450nm与500nm波长的荧光强度比值定义的荧光指数（FI）则可以很好地区分不同来源的DOM，即，FI～1.9时，以水生微生物来源为主；FI～1.4时，则具有木质素特征，以水域外的高等植物来源为主［8］。激发发射矩阵光谱（EEMs）是近年来广泛用于研究DOM来源及动力学特征的一种荧光光谱分析技术，最近，平行因子分析（PARAFAC）的新手段被用来对DOM的EEMs进行解谱，成为表征水环境中DOM 的重要工具［9，10］。

对DOM进行色谱分离，然后进行质谱分析以解析其结构和构成是对DOM进行表征的另一个重要技术方向。各种高效吸附或排阻色谱能够与负离子模式下的电喷雾离子源（ESI）很好地接口，并进而与各种质谱仪相连接［11］。近年来，具有超高分辨率和准确度的傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT－ICR－MS）开始应用于DOM的成分解析，大大提高了对DOM中有机分子的鉴定能力［12，13］。FT－ICR－MS尤其在对芳环化合物和含氮杂原子化合物的分析方面具有优势。不过FT－ICR－MS目前还很难与液相色谱等分离设备实现在线连接，限制了其使用效率。上述质谱的一个缺点是不能表征难以离子化的化合物。

核磁共振波谱分析法（NMR）是分析分子内各官能团如何连接的确切结构的强有力的工具，也是分析DOM的重要手段［14，15］。它不需要对待测物进行离子化，因而能够补充上述质谱方法无法得到的一些结构信息。此外，同位素质谱分析是对DOM进行质谱分析的另一个方向，通过对稳定性13C和放射性14C的分析，可以了解DOM的来源、年龄特点及其地球化学循环等方面的情况［16］。

3 DOM的来源与特征

自然条件下水环境中的有机质可简单分为内源和外源。内源与生物活动关系密切，主要来源于水体微生物或藻类分解，而外源来源于土壤和动植物有机质的残体。淡水中的DOM在成分和结构上与土壤有机质十分相似［17］，因此被认为主要来源于陆地植被，而水中浮游生物的贡献相对较小。从对DOM的δ13C分析，以及由核磁共振技术和FT－ICR－MS技术等检测出的与高等植物萜类化合物、木质素、碳黑等有关的结构的报道中可以明显看出陆地植被对DOM的贡献和影响［18～20］。然而，DOM 中类 蛋白质组 分的存 在［21］、浮游植物被微生物降解后产生有色DOM（CDOM）［22］等事实也暗示了水生生物的重要贡献。随着人类活动影响和水体富营养化趋势的加剧，相信人为有机污染物和水体内源生物的贡献会出现增加的趋势。

DOM是由在来源（陆地高等植物、水生藻类、土壤和水体微生物等）、年龄、存在状态（自由态、吸附态、结合态等）、后生改造等方面存在巨大差异的不同有机质混合构成的，因而呈现出十分复杂的非均质结构［23］。为弄清DOM的地球化学性质，半个多世纪以来，人们采用了很多手段对其进行分离和表征。根据目前的研究现状，可以得出如下一些关于DOM的认识［1，24］:①大量元素分析结果表明，DOM的元素构成情况为:49.5±3.3%C，5.0±1.0%H，43.0±4.1%O，1.7±1.0%N，2.0±1.3%S。相对于活体生物有机质要略富氧贫氢，表明DOM在环境中受到了一定程度的氧化降解作用；②DOM含有大量酸性机团，主要是羧基和酚类官能团。这些官能团可影响淡水系统的酸碱度，与矿物表面发生相互作用，还能影响可溶金属元素的络合与传输；③13C核磁共振结果表明DOM中C的官能团分布为:羰基5%，羧基22%，芳香基30%，烷氧基20%，烷基23%；④DOM中游离态分子及总可水解的氨基酸和碳水化合物及木质素来源的酚类所占份额不足6%，90%以上的部分仍是未知；⑤POM与DOM之间、DOM中不同分子量范围之间、各种不同有机分子之间在14C年龄上都往往存在较大差异，显示出它们不同的来源和所经历的地球化学过程。尽管对DOM的了解有了上述很多进展，但由于DOM结构与成分非常复杂，已确认的化学组分只占总有机质的不到25%，大部分是未知的，研究程度相对较低。这无疑对分析技术提出了诸多挑战，使得DOM分子构成这一基本问题仍然是当今有关研究的重点内容［23］。

4 DOM的环境意义

水体DOM对环境的影响体现在许多方面，兹举目前人们有比较多认识和关注的一些内容。①DOM通过其生物可利用性影响水生生态系统的结构和营养状态，是驱动微生物环运转的能量基础，对调节淡水生态系统的代谢途径具有重要影响［23，25］。DOM的生物可利用性则受DOM的元素组成、分子量分布、亲水或疏水性能、官能团类型、化合物构成等许多复杂因素的制约，而这些因素又受DOM所经历的各种地球化学过程的影响，在空间和时间上呈现出高度的变异性［26～29］。了解DOM摄取和代谢过程的控制因素可以增加我们对水生食物链的了解。此外，NOM中有机氮的生物可利用性近年来受到一些学者的重视。河流中溶解有机氮占总溶解氮可高达70%，有机氮被微生物降解矿化为无机氮，进而刺激藻类的勃发被认为是水体富营养化的可能机制之一［30－32］。而目前的环境监测基本上只进行无机氮的分析测试，显然忽略了对有机氮潜在危害的评估。②DOM通过其吸附和络合能力对水体中的毒害有机污染物和重金属的生物可利用性产生影响，从而影响水质环境。例如，DOM可以有效吸附水体中的微量有机污染物，降低其被生物摄取的风险［33，34］。从分子量角度来说，通常高分子量DOC芳香性和疏水性较强，其吸附有机污染物的能力也较强［35］。此外，DOM的光降解反应和在饮用水处理中生成有害物质等现象在生态和环境领域也都受到了很多的关注［36，37］。③有机碳是自然界中既活跃又丰富的还原态物质，是大多数生物地球化学反应的电子供体，决定着水体的化学和生物需氧量（COD、BOD），从而影响水环境的质量。河口区贫氧现象和河流系统硝化－反硝化过程等重要的水环境问题都直接与水体的氧化还原状态有密切关系［38，39］。

DOM不仅能通过其地球化学活动性影响水环境的特征，它还对区域气候和流域生态环境，特别是土地利用状况的变化十分敏感，可有效指示人类活动对生态环境的影响，从而为了解生态环境恶化的原因和机制提供线索。河岸湿地是向河流和河口输入DOM的重要源区，研究发现河流DOM含量和通量与流域内湿地面积百分比、泥炭覆盖度和河道坡度等景观参数有很强的相关性，以湿地为主的低地河流中DOM的输出比以森林为主的高地河流DOM的输出要多［40］。流经农业区的小溪中以低分子量DOM为主，而流经森林和主干河道河流中以高分子量DOM为主，且水体DOM中木质素含量往往与河流流量成正比［28］。河流和河口硅藻藻华可显著增加DOM中碳水化合物的含量［41］。人类活动对生态环境的扰动往往导致陆地储存的生物可利用性较差的“老”碳被侵蚀进入水体，因此有学者提出对DOM的14C年龄进行深入研究可以获取流域内生态修复状态的信息（生态修复得越接近原始状态，DOM越年轻）［42］。此外，河流流量的季节性变化、洪水事件、全球变暖和大气CO2含量的升高等都被发现对河流DOM在质和量方面产生很大影响。

5 研究趋势与展望

（1）在关于DOM的来源、特征和迁移转化方面，生物体的四大类主要有机组分:碳水化合物、蛋白质、木质素和类脂物在DOM中的存在形式及其地球化学特征（化合物组成和分布、稳定同位素、14C年龄等）都有了相当研究，对认识DOM的生态和环境意义起到了重要作用。但是，由于DOM的源和汇既复杂又相互重叠，单纯的化合物分布信息通常难以定量约束出可能的源和汇。因此，稳定碳同位素（δ13C）和不同组分或单体放射性14C分析方法的应用增强了关于化合物来源和循环过 程 的约 束 效 果［24，28，42，43］，这 是 因 为 水 生 生 物、陆 地 高等植物、土壤和岩石中的有机质等各种DOM的来源在稳定同位素和／或在放射性14C信息上存在显著差别。分子化合物构成、化合物单体δ13C、化合物组分或单体14C年龄谱这三方面的工作成为近年来DOM生物地球化学研究的一个重要内容和发展方向。

（2）DOM是自然界的一个十分重要的碳汇，而微生物在DOM的形成和转化过程中起着十分重要的作用［44］，但其中的过程和机制尚不十分清楚，也是该领域研究的薄弱环节，这正成为未来研究的一个热点问题。

（3）氮和磷是生态系统的主量营养元素，也是DOM的重要组分，DOM通过其生物可利用性在氮磷等营养元素的生物地球化学循环过程中发挥着重要作用。但是，目前对DOM中的有机氮和有机磷的表征和作用了解得都十分有限，亟需在有机氮、有机磷的化学解析及其迁移转化机理方面加强研究［45］。

（4）DOM与环境因子的相互作用，比如，DOM的光学特性及其对水生生物的保护作用［46］、DOM与各种有机和无机污染物的相互作用及其环境影响［33，34］等，也越来越受到学术界重视并将得到较快发展。

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