水环境中溶解性有机物溯源分析及分子结构表征概述

褚江勇，廖振良

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

0 引言

溶解性有机物(Dissolved organic matter,DOM)是区域乃至全球碳循环的关键组分[1]，水环境中的DOM主要来自于天然或人为源。天然有机物通过生物体的分解和降解，通过水圈、生物圈和地圈的各种生物、物理和自然过程产生。另一方面，人为源DOM通过人类活动(副产物(例如污水[2])和垃圾以及微塑料的降解[3])引入环境中。除了作为碳源外，DOM还参与各种生态功能，例如作为土壤和水生食物网中微生物的能量来源以及生物代谢的副产物[4]。通过与重金属以及持久性有机污染物(POPs)结合，在溶解度、毒性、生物利用度、流变性和污染物分布中发挥重要作用[5]。DOM 的环境影响和环境行为已受到学术界的广泛重视，已成为研究的热点。由于 DOM 组成复杂，对其来源和组成的表征分析成为相关研究的关键所在。

当前对于DOM的研究主要侧重于两个方面，其一为溯源分析，给出DOM的来源信息；其二是分子特征的解析，主要是给出DOM结构上的细节信息(化合物的分类、官能团信息、分子式和元素组成)。溯源分析常用方法有稳定同位素比值，生物标记法，化合物特异性同位素分析和光谱分析(紫外和荧光)。对于分子表征技术而言，尺寸排阻色谱(Size exclusion chromatography)耦合碳、氮检测器、热解耦合气质联用(PY-GC/MS)、核磁(NMR)以及傅里叶转换离子回旋加速质谱(FT-ICR-MS)是比较常用的手段。本文拟对当前DOM的分析方法进行阐述，以及目前存在的挑战和未来可能发展的趋势。

1 水环境中的DOM

DOM包含多种化合物分子(如多糖，氨基酸，腐殖质，木质素，纤维素，肽聚糖，蛋白质，饱和和不饱和烃，单宁，芳香族化合物)，并具有不同的极性(疏水性、两亲性和亲水性)[6]。它代表了一种复杂的混合物，同时根据环境、地理、时间和水体深度表现出不同的差异性[7]。DOM本身的复杂性和反应过程的差别导致其反应活性的差异。 Boudreau和Ruddick[8]提出反应性连续模型，目前仍用于不同环境中DOM分解的阐述。 DOM来源广泛，增加其成分的复杂性。从来源上看，DOM通常被归类为异地或本地源。来自水生环境之外的天然异地来源包括来自陆地(例如维管植物，叶子，根系分泌物和土壤)以及大气(例如沙尘暴)的物质。除此之外，人类活动在异地源中起着重要作用，例如有机肥料、未经处理的污水、火灾、化石燃料中的黑碳、泄漏的石油和塑料浸出液等[9]都会影响环境中的DOM。在水体中产生的本地源DOM来自水生生物群(例如藻类，细菌，浮游生物，大型植物和浮游生物)，并且由自养和异养生物生成[10]。同时，DOM可以被去除和转化，并且在整个生物地球化学循环和微生物循环中发挥重要作用[11]。由于DOM易受光化学作用影响，并且该过程可改变DOM性质，因此它可作为光敏剂，例如中间体二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)和其他危险的活性氧物质的产生，从而对生物器官产生氧化应激。这些过程的作用能力通常由环境参数(例如温度，pH，盐度)决定，在时间和空间上具有不确定性。

2 溯源分析

2.1 稳定同位素比率

碳具有两种稳定的天然同位素：12C(98.89%)和13C(1.11%)。自然环境中的物理、化学或生物过程可导致同位素的变化，从而导致原子质量在12C和13C的比值差异。例如，根据植物的类型(例如，C3，C4或景天酸代谢(CAM))和它们的特定光合成路径，同位素比可能会发生变化。 C3植物呈现碳同位素组成13C的值(稳定同位素的比率)13C/12C以千分之几(‰)报告，可通过元素分析仪与同位素比质谱仪(EA-IRMS)测得。稳定碳同位素比率被广泛使用，并被认为是溯源(例如，异地与原地)和表征DOM在环境中的转化过程的最有效方法之一[12]。前人的研究主要侧重于在13C分析上。如今，稳定碳同位素比通常与稳定的氮同位素比率15N的分析相结合，以防止单独使用13C示踪剂存在重叠[13]。除这些方法之外，同位素混合模型，基于同位素质量平衡方程，可用于估算多源流域环境或暴风雨事件中的来源[13]。

2.2 生物标志物

分子生物标志物(例如，靶向有机化合物通过气相色谱与质谱联用(GC-MS)分析，提供了一种强有力的工具，可以识别DOM的来源和相关的生物地化过程，从而重建环境中的变化。迄今为止，木素-酚(例如：木质素)，植物色素(例如：叶绿素和类胡萝卜素)，碳水化合物，蛋白质和脂质已被最广泛地用作识别DOM来源的生物标志物[14]。其中，脂类作为海洋的分子标记具有巨大的潜力，沿海河口系统以及内陆环境涵盖多种DOM源成分(异生源，本地源和人为源)[15]。通过使用化合物比率和多变量统计工具有助于对DOM源追溯的准确性。

2.3 光学特性

DOM的吸光度和荧光特性被定义为与传统生物标志物相当的“光学标志物”[16]。紫外可见光吸收和荧光已广泛用于表征DOM中有色和荧光亚组分：CDOM和FDOM。 CDOM组分主要在紫外线中吸收光电磁波谱的(UV)和蓝色区域。所选波长(aλ)的吸收系数用于不同目的。最常见的是a254，其计算用于估计CDOM的含量[17]。使用a350和a440是因为它们与木质素的强相关性[18]，应用于海洋颜色遥感[19]。一系列指数也被广泛应用于吸收系数，以获得平均分子量的信息(a250和a365之间的比率，E2/E3；光谱斜率比率Sr和分子的芳香性(254 nm处的特定紫外吸收，SUVA254)陆地化合物的追踪(275和295 nm之间的光谱斜率，S275-295))。

FDOM是CDOM的一部分，可以发出荧光吸收UV-Visible光后。可以通过使用激发-发射波长(例如原位探针)，单发射光谱，同步光谱和三维激发-发射矩阵(EEM)来研究FDOM的光谱特性。此外， EEM耦合平行因子分析(PARAFAC)可以区分不同组的荧光团(组分)，如类腐殖质和类蛋白质组分[20]。通过使用特定波长或波长范围内的荧光强度的比率，还开发了一组指数，主要用于区分本地和异生源，并评估DOM的腐殖化程度[21]。

荧光成分分布和光学指数已成功应用于研究DOM化学成分，确定来源并追踪多种水生环境中涉及的生物地球化学过程，如废水、河流、地下水、湖泊和海洋等。图1展示的是荧光技术的具体流程，由于其低成本、快速、灵敏、预处理简单并且处理数据方便，该技术现被认为是有效且标准的DOM研究工具。

3 分子结构表征

水环境中存在的溶解性有机物类型千差万别，针对分子量的不同、分子中包含的官能团、化学键以及原子的差异，不同的分子结构表征手段被采用，大致可以概括为图2。

3.1 尺寸排阻色谱技术

在线检测器(OCD和OND)偶联尺寸排阻色谱[22]技术，是当前应用于DOM分离中常见的方法。其使用纯化的流动相(磷酸盐缓冲液)和色谱柱(基于聚甲基丙烯酸酯的弱阳离子交换柱)，能够根据分子量分离DOM[22]。 如今，它被认为是一种有吸引力的技术，可提供有关DOM(分子量分馏和DOC和DON浓度)的直接定性和定量信息。同时可以识别和量化五个确定的组分，包括生物聚合物(BP，>10 kDa)，腐殖质(HS，约1 kDa)，结构单元(BB，300-500 Da)，低分子量酸和中性物质(LMWA/N，<350 Da)[22]。如今该技术主要用于追踪饮用水中的天然有机物或研究膜污染问题[23]。由于有机质的分子特征影响自然生态系统的反应性，尺寸排阻色谱耦合碳氮检测器也成为表征自然环境中有机物的重要选择之一[24]。

3.2 热解耦合气相色谱-质谱 (PY-GC-MS)

Py-GC-MS是一种化学分析方法，其中天然和合成生物聚合物被加热分解产生字结构单元，即低分子量分子，然后通过气相色谱分离并使用质谱法检测[24]。

这种技术并不常用于表征DOM的分子组成，但它可以获得有关天然有机物成分的详细结构信息，以评估成岩作用和沉积物的来源[25]。

3.3 傅里叶转换红外光谱

FTIR是最常用的光谱仪之一，用于分析液体或固体天然有机物(NOM)样品[26]。该光谱利用分子吸收其结构特征的频率鉴别分子结构，例如，它们化学键的振动特性。由此产生的吸收是化合物的独特指纹，可以识别官能团。通过样品与KBr颗粒压片产生的透射光谱是NOM研究中最古老和最常用的方法。另外，反射光谱作为衰减全反射(ATR)和漫反射红外傅里叶变换(DRIFT)已被优先使用，因为该技术更可靠和非破坏性，并产生比前者更高的再现性。虽然这种技术具有许多优点适用于DOM和POM分数，现今很少单独使用，并且优先与其他技术(例如NMR，荧光)结合使用，以支持与生化机制中的变化以及相关结果的解释或控制质量。

3.4 核磁共振

核磁共振已被广泛使用多年用于表征DOM中的分子结构，由于它能够提供分子结构的详细信息[27]。简而言之，核磁共振是一种物理现象，磁场中的电核吸收并重新发射电磁辐射。核磁是一种高选择性技术，可区分分子内许多原子或相同类型的分子集合，但仅仅用于周围的化学环境。 NMR可以在固相和液相样品上进行[28]，并且通常用于原子核1H，13C和15N[29]。传统上，1维(1D)NMR用于表征DOM。然而，在过去十年中，NMR已被用于2维(2D)或多维配置，提供更加复杂的碳氢相关性信息，可用于表征更加复杂的有机化合物。

3.5 高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)

FT-ICR-MS已成为DOM复杂混合物的深入分子表征的可靠工具。在过去十年中，FT-ICR-MS在分子水平上的研究，包括湖泊、海洋、河口、湿地、土壤，河流甚至冰川在内的所有环境中DOM的化学表征都占据主导地位[30]。与电喷雾电离(ESI)相结合，提供必要的分辨率，以高精度确定数百至数千个离子，m/z范围通常为200至1 000 Da。此外，由于高分辨率和准确度(小于0.5 ppm)，元素公式具有高置信度都使得FT-ICR-MS被广泛用于DOM的研究。另一方面，由于ESI-FT-ICR-MS分析产生大量数据，经验公式数据通常可将其分为6-8类主要化合物(例如，脂类，蛋白质，碳水化合物，不饱和烃，木质素和富含羧基的脂环族分子) (CRAM)，单宁和缩合芳族化合物)根据其H/C和O/C比例以及推测分子式中的原子差异(如图3)。还开发了一些与不饱和度(DBE：双键当量指数)和芳香性(AI或AImod：改性芳香性指数)相关的指数[31]。如今，该技术被认为是表征DOM的结构和分子特性最有强力的工具。

4 DOM研究的局限性

尽管每年都有大量关于DOM的研究，但上仍存在一些问题。DOM的组成在很大程度上存在不确定性以及许多影响其分析的固有问题存在。

(1)低浓度(如海水0.4～1 mg·L-1)：由于在某些水体当中含有大量无机化合物，可对当前的化学分析产生负面影响或干扰某些化合物的相对丰度[32]，从而增加了DOM研究的不确定性。

(2)化合物的极端多样性和异质性，化学性质及其分子量的高度不确定性，使得分离和分析方法复杂化[33]。这为DOM分子特征及其来源分析的研究造成一定障碍，使其结构特征和溯源分析很难被精准把控。

(3)在分离或浓缩过程中难以提取无偏物质。尽管在过去十年中已经取得了显着的进步，样品的预处理，仪器分辨率和设备分析能力的改进，但大多数高度敏感的技术仍然存在一些不便(技术问题)，除了与数据处理相关的困难之外，还有令人望而却步的成本。例如，稳定同位素比率的分析不需要太多的预处理，但它只能提供一个与有机物来源相关的值，而更先进的技术如FT-ICR MS分析提供数千种分子式通常不能够被完全解释。

5 未来的发展趋势

针对前面所介绍的局限性，未来关于DOM的研究会是这些问题的不断优化和完善：

(1)水体中DOM的含量较低，水中的无机物含量会对DOM信号干扰：未来对于水体中的DOM提取过程一定是更加简单和便捷，针对现今固相萃取方式的缺陷，可能会出现某种特定的溶剂将水体中的DOM快速分离。出现更加高效的提取方式很好的实现DOM的富集。

(2)化合物本身的复杂性：现今出现的很多质谱技术已经能够从某种程度上反映出DOM的分子特征，例如FT-ICR-MS、2D-NMR等。这些技术的出现已经能够给出很详细的结构信息，只是对于这些技术的分析比较复杂，很难将其给出的信息完全解析出来，并且该过程特别繁杂。未来的研究一方面侧重于对于该分辨设备的开发，另一方面应该更多的倾向于数据库的建立和完善。将得到的DOM信息(例如，荧光谱图，质谱图，核磁信息等)进行统一管理，通过不断的完善数据库本身，亦是在完善DOM本身，当数据库建立到一定的程度，只需要将得到的DOM与数据库进行比对即可得到全部的信息，从而大大减少没有必要的重复工作。

(3)将DOM与其他技术相结合：当前对于DOM的研究主要侧重于实验层面的结构及其来源分析，对于DOM的研究具有一定的区域限制，很难被应用到大规模的实际工程领域中。未来的DOM研究可能会更倾向于DOM作为指示剂用于工程领域，与更加智能和高效的技术相结合。例如：卫星遥感技术。卫星遥感和生物光学扩展DOM分布，研究空间和时间尺度的补充方法是使用专为遥感和自主海洋平台应用而设计的生物光学传感器。 近年来，从卫星观测中海洋表面的颗粒物质(PM)和CDOM的回收越来越受到关注，并且可以在全球范围内对DOM动力学进行概要观察。然而，目前用于检索DOM的海洋颜色算法表现不佳，特别是在高DOM水域，如沿海地区和北冰洋[34]。此外，最近强调了将卫星遥感与数值水动力模型相结合的重要性，例如，可以将物理过程与沿海环境中水成分的分布和运输联系起来[35]。与此同时，将生物光学传感器与DOM通道整合到海洋自动平台(滑翔机，系泊设备，自动水下航行器，冰系带剖面仪等)已成为最先进的技术，在过去几十年中，监测工具允许在水柱上进行采样，尽管有阳光覆盖和天气条件。这些传感器不仅提供水柱上高度分辨的空间DOM覆盖[36]，它们还收集更大的数据集以改进当前的海洋颜色算法。

6 结语

水环境中的溶解性有机物是区域乃至全球碳循环的关键组分，对于碳循环过程的理解是目前环境科学和生物地球化学领域的主要难题之一。 虽然在过去几十年中对DOM的研究主要侧重于溯源分析和分子结构特征解析，不断有新的科技的加入，给水环境领域中的DOM研究带来便利，但仍存在一些研究空白需要填补，并需要新的想法来不断完善前人工作。未来的研究不应该仅仅着眼于溯源分析或是分子结构特征的表征，研究重点应该在不同的结构层面和不同的角度进行，更多的侧重于实践应用领域，将DOM作为一种指示剂与更新颖更智能的科技产品相结合，更精确地反映整个水环境特征，从而更加有效地为工程领域应用创造价值。