褚江勇，廖振良

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

溶解性有機(jī)物(Dissolved organic matter,DOM)是區(qū)域乃至全球碳循環(huán)的關(guān)鍵組分[1]，水環(huán)境中的DOM主要來自于天然或人為源。天然有機(jī)物通過生物體的分解和降解，通過水圈、生物圈和地圈的各種生物、物理和自然過程產(chǎn)生。另一方面，人為源DOM通過人類活動(dòng)(副產(chǎn)物(例如污水[2])和垃圾以及微塑料的降解[3])引入環(huán)境中。除了作為碳源外，DOM還參與各種生態(tài)功能，例如作為土壤和水生食物網(wǎng)中微生物的能量來源以及生物代謝的副產(chǎn)物[4]。通過與重金屬以及持久性有機(jī)污染物(POPs)結(jié)合，在溶解度、毒性、生物利用度、流變性和污染物分布中發(fā)揮重要作用[5]。DOM 的環(huán)境影響和環(huán)境行為已受到學(xué)術(shù)界的廣泛重視，已成為研究的熱點(diǎn)。由于 DOM 組成復(fù)雜，對(duì)其來源和組成的表征分析成為相關(guān)研究的關(guān)鍵所在。

當(dāng)前對(duì)于DOM的研究主要側(cè)重于兩個(gè)方面，其一為溯源分析，給出DOM的來源信息；其二是分子特征的解析，主要是給出DOM結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)信息(化合物的分類、官能團(tuán)信息、分子式和元素組成)。溯源分析常用方法有穩(wěn)定同位素比值，生物標(biāo)記法，化合物特異性同位素分析和光譜分析(紫外和熒光)。對(duì)于分子表征技術(shù)而言，尺寸排阻色譜(Size exclusion chromatography)耦合碳、氮檢測(cè)器、熱解耦合氣質(zhì)聯(lián)用(PY-GC/MS)、核磁(NMR)以及傅里葉轉(zhuǎn)換離子回旋加速質(zhì)譜(FT-ICR-MS)是比較常用的手段。本文擬對(duì)當(dāng)前DOM的分析方法進(jìn)行闡述，以及目前存在的挑戰(zhàn)和未來可能發(fā)展的趨勢(shì)。

1 水環(huán)境中的DOM

DOM包含多種化合物分子(如多糖，氨基酸，腐殖質(zhì)，木質(zhì)素，纖維素，肽聚糖，蛋白質(zhì)，飽和和不飽和烴，單寧，芳香族化合物)，并具有不同的極性(疏水性、兩親性和親水性)[6]。它代表了一種復(fù)雜的混合物，同時(shí)根據(jù)環(huán)境、地理、時(shí)間和水體深度表現(xiàn)出不同的差異性[7]。DOM本身的復(fù)雜性和反應(yīng)過程的差別導(dǎo)致其反應(yīng)活性的差異。 Boudreau和Ruddick[8]提出反應(yīng)性連續(xù)模型，目前仍用于不同環(huán)境中DOM分解的闡述。 DOM來源廣泛，增加其成分的復(fù)雜性。從來源上看，DOM通常被歸類為異地或本地源。來自水生環(huán)境之外的天然異地來源包括來自陸地(例如維管植物，葉子，根系分泌物和土壤)以及大氣(例如沙塵暴)的物質(zhì)。除此之外，人類活動(dòng)在異地源中起著重要作用，例如有機(jī)肥料、未經(jīng)處理的污水、火災(zāi)、化石燃料中的黑碳、泄漏的石油和塑料浸出液等[9]都會(huì)影響環(huán)境中的DOM。在水體中產(chǎn)生的本地源DOM來自水生生物群(例如藻類，細(xì)菌，浮游生物，大型植物和浮游生物)，并且由自養(yǎng)和異養(yǎng)生物生成[10]。同時(shí)，DOM可以被去除和轉(zhuǎn)化，并且在整個(gè)生物地球化學(xué)循環(huán)和微生物循環(huán)中發(fā)揮重要作用[11]。由于DOM易受光化學(xué)作用影響，并且該過程可改變DOM性質(zhì)，因此它可作為光敏劑，例如中間體二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)和其他危險(xiǎn)的活性氧物質(zhì)的產(chǎn)生，從而對(duì)生物器官產(chǎn)生氧化應(yīng)激。這些過程的作用能力通常由環(huán)境參數(shù)(例如溫度，pH，鹽度)決定，在時(shí)間和空間上具有不確定性。

2 溯源分析

2.1 穩(wěn)定同位素比率

碳具有兩種穩(wěn)定的天然同位素：12C(98.89%)和13C(1.11%)。自然環(huán)境中的物理、化學(xué)或生物過程可導(dǎo)致同位素的變化，從而導(dǎo)致原子質(zhì)量在12C和13C的比值差異。例如，根據(jù)植物的類型(例如，C3，C4或景天酸代謝(CAM))和它們的特定光合成路徑，同位素比可能會(huì)發(fā)生變化。 C3植物呈現(xiàn)碳同位素組成13C的值(穩(wěn)定同位素的比率)13C/12C以千分之幾(‰)報(bào)告，可通過元素分析儀與同位素比質(zhì)譜儀(EA-IRMS)測(cè)得。穩(wěn)定碳同位素比率被廣泛使用，并被認(rèn)為是溯源(例如，異地與原地)和表征DOM在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化過程的最有效方法之一[12]。前人的研究主要側(cè)重于在13C分析上。如今，穩(wěn)定碳同位素比通常與穩(wěn)定的氮同位素比率15N的分析相結(jié)合，以防止單獨(dú)使用13C示蹤劑存在重疊[13]。除這些方法之外，同位素混合模型，基于同位素質(zhì)量平衡方程，可用于估算多源流域環(huán)境或暴風(fēng)雨事件中的來源[13]。

2.2 生物標(biāo)志物

分子生物標(biāo)志物(例如，靶向有機(jī)化合物通過氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)分析，提供了一種強(qiáng)有力的工具，可以識(shí)別DOM的來源和相關(guān)的生物地化過程，從而重建環(huán)境中的變化。迄今為止，木素-酚(例如：木質(zhì)素)，植物色素(例如：葉綠素和類胡蘿卜素)，碳水化合物，蛋白質(zhì)和脂質(zhì)已被最廣泛地用作識(shí)別DOM來源的生物標(biāo)志物[14]。其中，脂類作為海洋的分子標(biāo)記具有巨大的潛力，沿海河口系統(tǒng)以及內(nèi)陸環(huán)境涵蓋多種DOM源成分(異生源，本地源和人為源)[15]。通過使用化合物比率和多變量統(tǒng)計(jì)工具有助于對(duì)DOM源追溯的準(zhǔn)確性。

2.3 光學(xué)特性

DOM的吸光度和熒光特性被定義為與傳統(tǒng)生物標(biāo)志物相當(dāng)?shù)摹肮鈱W(xué)標(biāo)志物”[16]。紫外可見光吸收和熒光已廣泛用于表征DOM中有色和熒光亞組分：CDOM和FDOM。 CDOM組分主要在紫外線中吸收光電磁波譜的(UV)和藍(lán)色區(qū)域。所選波長(zhǎng)(aλ)的吸收系數(shù)用于不同目的。最常見的是a254，其計(jì)算用于估計(jì)CDOM的含量[17]。使用a350和a440是因?yàn)樗鼈兣c木質(zhì)素的強(qiáng)相關(guān)性[18]，應(yīng)用于海洋顏色遙感[19]。一系列指數(shù)也被廣泛應(yīng)用于吸收系數(shù)，以獲得平均分子量的信息(a250和a365之間的比率，E2/E3；光譜斜率比率Sr和分子的芳香性(254 nm處的特定紫外吸收，SUVA254)陸地化合物的追蹤(275和295 nm之間的光譜斜率，S275-295))。

FDOM是CDOM的一部分，可以發(fā)出熒光吸收UV-Visible光后?？梢酝ㄟ^使用激發(fā)-發(fā)射波長(zhǎng)(例如原位探針)，單發(fā)射光譜，同步光譜和三維激發(fā)-發(fā)射矩陣(EEM)來研究FDOM的光譜特性。此外， EEM耦合平行因子分析(PARAFAC)可以區(qū)分不同組的熒光團(tuán)(組分)，如類腐殖質(zhì)和類蛋白質(zhì)組分[20]。通過使用特定波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍內(nèi)的熒光強(qiáng)度的比率，還開發(fā)了一組指數(shù)，主要用于區(qū)分本地和異生源，并評(píng)估DOM的腐殖化程度[21]。

熒光成分分布和光學(xué)指數(shù)已成功應(yīng)用于研究DOM化學(xué)成分，確定來源并追蹤多種水生環(huán)境中涉及的生物地球化學(xué)過程，如廢水、河流、地下水、湖泊和海洋等。圖1展示的是熒光技術(shù)的具體流程，由于其低成本、快速、靈敏、預(yù)處理簡(jiǎn)單并且處理數(shù)據(jù)方便，該技術(shù)現(xiàn)被認(rèn)為是有效且標(biāo)準(zhǔn)的DOM研究工具。

3 分子結(jié)構(gòu)表征

水環(huán)境中存在的溶解性有機(jī)物類型千差萬(wàn)別，針對(duì)分子量的不同、分子中包含的官能團(tuán)、化學(xué)鍵以及原子的差異，不同的分子結(jié)構(gòu)表征手段被采用，大致可以概括為圖2。

3.1 尺寸排阻色譜技術(shù)

在線檢測(cè)器(OCD和OND)偶聯(lián)尺寸排阻色譜[22]技術(shù)，是當(dāng)前應(yīng)用于DOM分離中常見的方法。其使用純化的流動(dòng)相(磷酸鹽緩沖液)和色譜柱(基于聚甲基丙烯酸酯的弱陽(yáng)離子交換柱)，能夠根據(jù)分子量分離DOM[22]。 如今，它被認(rèn)為是一種有吸引力的技術(shù)，可提供有關(guān)DOM(分子量分餾和DOC和DON濃度)的直接定性和定量信息。同時(shí)可以識(shí)別和量化五個(gè)確定的組分，包括生物聚合物(BP，>10 kDa)，腐殖質(zhì)(HS，約1 kDa)，結(jié)構(gòu)單元(BB，300-500 Da)，低分子量酸和中性物質(zhì)(LMWA/N，<350 Da)[22]。如今該技術(shù)主要用于追蹤飲用水中的天然有機(jī)物或研究膜污染問題[23]。由于有機(jī)質(zhì)的分子特征影響自然生態(tài)系統(tǒng)的反應(yīng)性，尺寸排阻色譜耦合碳氮檢測(cè)器也成為表征自然環(huán)境中有機(jī)物的重要選擇之一[24]。

3.2 熱解耦合氣相色譜-質(zhì)譜 (PY-GC-MS)

Py-GC-MS是一種化學(xué)分析方法，其中天然和合成生物聚合物被加熱分解產(chǎn)生字結(jié)構(gòu)單元，即低分子量分子，然后通過氣相色譜分離并使用質(zhì)譜法檢測(cè)[24]。

這種技術(shù)并不常用于表征DOM的分子組成，但它可以獲得有關(guān)天然有機(jī)物成分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息，以評(píng)估成巖作用和沉積物的來源[25]。

3.3 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜

FTIR是最常用的光譜儀之一，用于分析液體或固體天然有機(jī)物(NOM)樣品[26]。該光譜利用分子吸收其結(jié)構(gòu)特征的頻率鑒別分子結(jié)構(gòu)，例如，它們化學(xué)鍵的振動(dòng)特性。由此產(chǎn)生的吸收是化合物的獨(dú)特指紋，可以識(shí)別官能團(tuán)。通過樣品與KBr顆粒壓片產(chǎn)生的透射光譜是NOM研究中最古老和最常用的方法。另外，反射光譜作為衰減全反射(ATR)和漫反射紅外傅里葉變換(DRIFT)已被優(yōu)先使用，因?yàn)樵摷夹g(shù)更可靠和非破壞性，并產(chǎn)生比前者更高的再現(xiàn)性。雖然這種技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)適用于DOM和POM分?jǐn)?shù)，現(xiàn)今很少單獨(dú)使用，并且優(yōu)先與其他技術(shù)(例如NMR，熒光)結(jié)合使用，以支持與生化機(jī)制中的變化以及相關(guān)結(jié)果的解釋或控制質(zhì)量。

3.4 核磁共振

核磁共振已被廣泛使用多年用于表征DOM中的分子結(jié)構(gòu)，由于它能夠提供分子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息[27]。簡(jiǎn)而言之，核磁共振是一種物理現(xiàn)象，磁場(chǎng)中的電核吸收并重新發(fā)射電磁輻射。核磁是一種高選擇性技術(shù)，可區(qū)分分子內(nèi)許多原子或相同類型的分子集合，但僅僅用于周圍的化學(xué)環(huán)境。 NMR可以在固相和液相樣品上進(jìn)行[28]，并且通常用于原子核1H，13C和15N[29]。傳統(tǒng)上，1維(1D)NMR用于表征DOM。然而，在過去十年中，NMR已被用于2維(2D)或多維配置，提供更加復(fù)雜的碳?xì)湎嚓P(guān)性信息，可用于表征更加復(fù)雜的有機(jī)化合物。

3.5 高分辨率傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR-MS)

FT-ICR-MS已成為DOM復(fù)雜混合物的深入分子表征的可靠工具。在過去十年中，F(xiàn)T-ICR-MS在分子水平上的研究，包括湖泊、海洋、河口、濕地、土壤，河流甚至冰川在內(nèi)的所有環(huán)境中DOM的化學(xué)表征都占據(jù)主導(dǎo)地位[30]。與電噴霧電離(ESI)相結(jié)合，提供必要的分辨率，以高精度確定數(shù)百至數(shù)千個(gè)離子，m/z范圍通常為200至1 000 Da。此外，由于高分辨率和準(zhǔn)確度(小于0.5 ppm)，元素公式具有高置信度都使得FT-ICR-MS被廣泛用于DOM的研究。另一方面，由于ESI-FT-ICR-MS分析產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)公式數(shù)據(jù)通?？蓪⑵浞譃?-8類主要化合物(例如，脂類，蛋白質(zhì)，碳水化合物，不飽和烴，木質(zhì)素和富含羧基的脂環(huán)族分子) (CRAM)，單寧和縮合芳族化合物)根據(jù)其H/C和O/C比例以及推測(cè)分子式中的原子差異(如圖3)。還開發(fā)了一些與不飽和度(DBE：雙鍵當(dāng)量指數(shù))和芳香性(AI或AImod：改性芳香性指數(shù))相關(guān)的指數(shù)[31]。如今，該技術(shù)被認(rèn)為是表征DOM的結(jié)構(gòu)和分子特性最有強(qiáng)力的工具。

4 DOM研究的局限性

盡管每年都有大量關(guān)于DOM的研究，但上仍存在一些問題。DOM的組成在很大程度上存在不確定性以及許多影響其分析的固有問題存在。

(1)低濃度(如海水0.4～1 mg·L-1)：由于在某些水體當(dāng)中含有大量無(wú)機(jī)化合物，可對(duì)當(dāng)前的化學(xué)分析產(chǎn)生負(fù)面影響或干擾某些化合物的相對(duì)豐度[32]，從而增加了DOM研究的不確定性。

(2)化合物的極端多樣性和異質(zhì)性，化學(xué)性質(zhì)及其分子量的高度不確定性，使得分離和分析方法復(fù)雜化[33]。這為DOM分子特征及其來源分析的研究造成一定障礙，使其結(jié)構(gòu)特征和溯源分析很難被精準(zhǔn)把控。

(3)在分離或濃縮過程中難以提取無(wú)偏物質(zhì)。盡管在過去十年中已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，樣品的預(yù)處理，儀器分辨率和設(shè)備分析能力的改進(jìn)，但大多數(shù)高度敏感的技術(shù)仍然存在一些不便(技術(shù)問題)，除了與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的困難之外，還有令人望而卻步的成本。例如，穩(wěn)定同位素比率的分析不需要太多的預(yù)處理，但它只能提供一個(gè)與有機(jī)物來源相關(guān)的值，而更先進(jìn)的技術(shù)如FT-ICR MS分析提供數(shù)千種分子式通常不能夠被完全解釋。

5 未來的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)前面所介紹的局限性，未來關(guān)于DOM的研究會(huì)是這些問題的不斷優(yōu)化和完善：

(1)水體中DOM的含量較低，水中的無(wú)機(jī)物含量會(huì)對(duì)DOM信號(hào)干擾：未來對(duì)于水體中的DOM提取過程一定是更加簡(jiǎn)單和便捷，針對(duì)現(xiàn)今固相萃取方式的缺陷，可能會(huì)出現(xiàn)某種特定的溶劑將水體中的DOM快速分離。出現(xiàn)更加高效的提取方式很好的實(shí)現(xiàn)DOM的富集。

(2)化合物本身的復(fù)雜性：現(xiàn)今出現(xiàn)的很多質(zhì)譜技術(shù)已經(jīng)能夠從某種程度上反映出DOM的分子特征，例如FT-ICR-MS、2D-NMR等。這些技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)能夠給出很詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息，只是對(duì)于這些技術(shù)的分析比較復(fù)雜，很難將其給出的信息完全解析出來，并且該過程特別繁雜。未來的研究一方面?zhèn)戎赜趯?duì)于該分辨設(shè)備的開發(fā)，另一方面應(yīng)該更多的傾向于數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善。將得到的DOM信息(例如，熒光譜圖，質(zhì)譜圖，核磁信息等)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過不斷的完善數(shù)據(jù)庫(kù)本身，亦是在完善DOM本身，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立到一定的程度，只需要將得到的DOM與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)即可得到全部的信息，從而大大減少?zèng)]有必要的重復(fù)工作。

(3)將DOM與其他技術(shù)相結(jié)合：當(dāng)前對(duì)于DOM的研究主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)層面的結(jié)構(gòu)及其來源分析，對(duì)于DOM的研究具有一定的區(qū)域限制，很難被應(yīng)用到大規(guī)模的實(shí)際工程領(lǐng)域中。未來的DOM研究可能會(huì)更傾向于DOM作為指示劑用于工程領(lǐng)域，與更加智能和高效的技術(shù)相結(jié)合。例如：衛(wèi)星遙感技術(shù)。衛(wèi)星遙感和生物光學(xué)擴(kuò)展DOM分布，研究空間和時(shí)間尺度的補(bǔ)充方法是使用專為遙感和自主海洋平臺(tái)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的生物光學(xué)傳感器。 近年來，從衛(wèi)星觀測(cè)中海洋表面的顆粒物質(zhì)(PM)和CDOM的回收越來越受到關(guān)注，并且可以在全球范圍內(nèi)對(duì)DOM動(dòng)力學(xué)進(jìn)行概要觀察。然而，目前用于檢索DOM的海洋顏色算法表現(xiàn)不佳，特別是在高DOM水域，如沿海地區(qū)和北冰洋[34]。此外，最近強(qiáng)調(diào)了將衛(wèi)星遙感與數(shù)值水動(dòng)力模型相結(jié)合的重要性，例如，可以將物理過程與沿海環(huán)境中水成分的分布和運(yùn)輸聯(lián)系起來[35]。與此同時(shí)，將生物光學(xué)傳感器與DOM通道整合到海洋自動(dòng)平臺(tái)(滑翔機(jī)，系泊設(shè)備，自動(dòng)水下航行器，冰系帶剖面儀等)已成為最先進(jìn)的技術(shù)，在過去幾十年中，監(jiān)測(cè)工具允許在水柱上進(jìn)行采樣，盡管有陽(yáng)光覆蓋和天氣條件。這些傳感器不僅提供水柱上高度分辨的空間DOM覆蓋[36]，它們還收集更大的數(shù)據(jù)集以改進(jìn)當(dāng)前的海洋顏色算法。

6 結(jié)語(yǔ)

水環(huán)境中的溶解性有機(jī)物是區(qū)域乃至全球碳循環(huán)的關(guān)鍵組分，對(duì)于碳循環(huán)過程的理解是目前環(huán)境科學(xué)和生物地球化學(xué)領(lǐng)域的主要難題之一。 雖然在過去幾十年中對(duì)DOM的研究主要側(cè)重于溯源分析和分子結(jié)構(gòu)特征解析，不斷有新的科技的加入，給水環(huán)境領(lǐng)域中的DOM研究帶來便利，但仍存在一些研究空白需要填補(bǔ)，并需要新的想法來不斷完善前人工作。未來的研究不應(yīng)該僅僅著眼于溯源分析或是分子結(jié)構(gòu)特征的表征，研究重點(diǎn)應(yīng)該在不同的結(jié)構(gòu)層面和不同的角度進(jìn)行，更多的側(cè)重于實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域，將DOM作為一種指示劑與更新穎更智能的科技產(chǎn)品相結(jié)合，更精確地反映整個(gè)水環(huán)境特征，從而更加有效地為工程領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)造價(jià)值。