韦朝海教授团队：水体溶解性有机物的性质特征、分析手段与环境效应
研究背景
1909年，Putter提出溶解态有机质（dissolved organic matter，DOM）是绝大多数海洋动物的食物来源的观点，成为了著名的“Putter理论”。“Putter理论”有助于理解海洋生物的营养来源，了解水环境中生命物质库与非生命物质库之间的循环流动及流动过程中的能量分配，表明了海洋生物量依赖于陆源河流输送的DOM。基于对已有文献的理解，我们认为：DOM是一种异质混合物，包含脂肪烃、蛋白质、羧基、羟基和酯类功能基团的化合物，从形式上看，DOM介乎于有机物与污染物之间，但从内容上看，DOM是一种液态的土壤，是水溶液性质中的一种特殊介质，即水相与生物相的交会点，同时具备两相的功能。每年约有250 Tg C的DOM经河流从陆地系统输送到海洋中，河流DOM循环在全球碳循环链中起着源汇作用。不仅是海洋，DOM是连接生命形态碳和无机碳的关键纽带，参与各种生物地球化学循环过程，在生态系统服务功能中提供了基本原材料。然而，人类对河流DOM的浓度、化学组成和反应活性的影响及其环境生态效应目前尚未完全了解。DOM广泛存在于水体、土壤及沉积物中，贡献了地球表层及海洋有机碳总量的80%以上，这个比例影响了CO2的合成速度。海洋储藏了大量的DOM，绝大部分（>85%）难以被微生物利用，称之为惰性溶解有机质（refractory dissolved organic matter，RDOM），表现出类似于电解质的稀溶液理论特征。如图1所示，在生态系统中，DOM的来源大致可分为以下几个方面：1）有机物的腐烂降解；2）动物及微生物通过新陈代谢所产生的物质；3）植物根系的分泌物；4）植物生长过程中的凋落物质；5）污废水处理厂排放尾水中的残余有机物；等等。人工合成有机物进入水体后部分转化为DOM，微塑料是一类典型代表。同时，DOM在多样的环境生态系统中表现出差异性，在城市生态系统中，DOM主要来源于居民日常活动，包括产生的生活垃圾和污废水，另外还有雨水径流携带的道路、建筑物和其他表面污染物。其他生态系统中DOM来源占比也不尽相同，森林生态系统中DOM来源于死亡腐烂的植物、根系分泌物和腐败的动物遗体等；农业生态系统中的DOM来源途径主要为农田施加外来有机物以及秸秆回田，包括农用化肥及城镇居民垃圾堆肥等；水生生态系统中的DOM则来源于陆源上游河流径流输入、浮游植物等的降解产物以及微生物代谢产物等的自生源输入；污废水是DOM高度富集的来源之一，每年经污废水处理排放的DOM高达4亿t，占尾水残余有机物组分中化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）的70%～80%。
图1 溶解有机质（DOM）来源示意
DOM在整个生态系统中承载了有机物的迁移、转换、循环和分布的重要使命，又与全球碳循环有着密切的关系，在水生环境中，其作为水域中最为主要的碳源，在食物链中作为最重要的一环承担了营养物的传递功能。Osburn等研究发现，DOM是许多微生物不可或缺的营养物质，在水生生态系统中，分子量相对小的DOM组分是微生物的主要营养来源。DOM又是饮用水处理中需要重点关注的对象，作为消毒副产物的前体物直接影响水处理工艺的设计及优化运行。具有复杂分子结构、能容纳不同半径路易斯酸DOM的络合/螯合功能对重金属离子的输运是不可忽视的地球化学行为，包括调控营养元素循环的限制性元素Fe，有机体必需元素Cu、Zn，用于进行酶促反应的Ni、Cr等重金属，还包括带来生态风险的大离子金属Cd、Hg等。此外，DOM对微污染物，包括多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、药品及个人护理品（pharmaceutical and personal care products，PPCPs）、全氟烷基和全氟多烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）、微塑料等疏水性物质具有包裹作用，提高这些污染物的水溶性，并抑制它们的降解或代谢。
由于DOM组成、性质、含量以及转化等分布特征的复杂性与剧变性，基于营养功能、能量功能、载运功能、包裹功能、吸附功能、抑制功能、分配关系等的了解将有利于深刻认识水生生态环境的演变，这个过程中，基于物相、形态、含量、效应等方面的表征手段非常重要。在过去的30年里，光学属性界已经从DOM测量转移到自然和工程系统中，把理解生态系统碳循环介入复杂混合体系在过去、现在和未来背景下的演变制度作为新的目标。
DOM一定程度上集合了大自然要素相互作用的影响与反馈机制。DOM的自然生态反应可能会影响河流溶解氧平衡、碳汇、营养分配、光合作用、重金属迁移富集、地球元素循环等，在给水净化与污废水处理的工艺中影响药剂与能量的消耗，DOM还对新污染物以相似相溶原则执行负载作用，在膜分离工艺浓水中DOM表现出富集的特征，由DOM引发的二次污染与健康风险普遍存在等，结合全球气候变化加剧和新兴产业的出现，以上问题将会成为未来水循环领域的重要研究课题。在实际生态系统中，DOM表现出特殊的行为特征，如：DOM和溶解氧是正相关的（和常识相反），它没有影响水体的氧化还原电位（oxidation-reduction potential，ORP），更多的功能是微量元素矿化的载体；与生物冬天凋零―夏天利用的规律一致，DOM浓度是冬高夏低，和溶解氧同步；DOM是探针水体生物活动强度的指标，生态水体中DOM浓度（含量）浮动越大，相应的生物活动就越强，生态功能也越强。DOM可能是水溶液性质群集之间作用的粘合剂，是水生态平衡体系改变的缓冲剂。探索DOM的来源及转化途径，对更好地了解区域/流域生态系统中的碳周转和全球碳收支问题以及对全球环境健康的评估至关重要。
DOM在水文循环中无处不在，由于其在自然水体中产生的广泛影响和分析上的挑战，关于DOM的焦点研究问题自20世纪20年代以来一直在变化。DOM在水体中既有生成又有消耗，但似乎经常保持平衡。在各种生态系统中，流动水体中DOM的浓度和组成在很大程度上受到土壤过程或直接输入通道的驱动，但从热带到极地的河流和河川中都可以发现高浓度的DOM。McDowell将DOM研究总结为7个核心挑战和机遇，包括保持或建立水体中浓度和通量随时间变化的长期记录；利用传感器追踪水生系统中短期DOM动态变化；总碳循环和流域与水生DOM动态的结合；揭示DOM在内陆水体温室气体排放中的作用；解密溶解性有机氮在水生态中的角色；DOM总通量与净通量的统计手段；理解DOM在各环境中的功能生态学进化论意义。这些观点是基于目前对DOM的统计方向和统计量的研究发展，其中分析手段与技术进步成为其主要推动力的事实。尽管分析技术有所进步，但在准确有效地定量和表征环境样品中的DOC/DOM方面仍然存在巨大的挑战和困难。Chow提出了DOC/DOM分析中的3个主要挑战方向，包括追踪空间和时间的变化、分析可降解性和稳定性，以及如何确定未知的结构和化学式。生态系统的DOC/DOM是一种动态而异质的有机化合物，目前的分离和浓缩方法会导致DOC/DOM表征出现人为差别，在当前可用的方法和技术下，要量化至完整的分子结构水平或实时原位是不可能的，需要结合多个参数分析加以深入研究并模型关联，包括水文学和微生物群落，以及其他溶解的化学成分，如氮和磷，通过整合信息才可以为特定系统中的DOM来源和反应特性提供特征的结果。对此，本文综合文献，结合案例，重点分析DOM的性质/功能分布特征、分析手段及其环境效应。
摘要
溶解性有机物（DOM）在自然界的水环境中广泛存在，是水相有机物的主要组成部分。DOM表现出复杂的环境与生态反馈功能，与微生物的生长代谢有着紧密关系。在循环的自然生态过程中，河流是各种源汇的输送体，海洋成为最终的受纳体，本文统计分析了水体DOM在废水－污水－河流/湖泊－海洋环境中的性质和分布，指出DOM发挥着生物初级生产力、能量提供、光合效应、化学调控、微量金属传输、碳汇等方面的功能，并最终影响人类健康的观点。DOM的组成复杂，包括多糖、蛋白质、腐殖质、脂质和小分子有机酸等。自然途径通过大分子有机物的腐烂降解、动物及微生物的新陈代谢、植物根系的分泌物和植物生长衰亡过程，这些途径受地理－环境－气候等因素的影响；人为途径向水源中引入DOM不可忽视，其中，大部分来自污废水处理排放尾水中的残余有机污染物。DOM的转化与归趋影响着自来水厂的出水水质和天然水体中的微生物群落结构，因此，对DOM的定性定量分析十分重要。对此，本文系统介绍了DOM的分析原理、应用对象与技术特征，并提出发展测量技术、识别表征、生成机制、多相化学以及生态健康等方面的联用与瞬态技术的社会需求。最后，通过天然水体、城市污水、工业废水、厌氧发酵与渗滤液等来源，分析讨论了DOM浓度梯度的环境影响，强调元素水平的生态可持续发展与平衡机制的学术意义，认为DOM的元素驱动机制、生态调控机制以及信息通量分析成为未来该领域研究的重要方向。
01 DOM的性质与功能分布特征
1. DOM的性质
所谓的性质分布，这里定义为包括化学组成、理化性质、浓度含量以及生物化学转化等的综合表现。一般而言，能够通过孔径为0.45 µm滤膜的那部分有机物称之为DOM。DOM存在于几乎所有的水生生态系统中，在废水－污水－河流－海洋中的有机物含量占比越来越大，但浓度越来越低，海洋成为最终的受纳体，其浓度通常在0.5～1.5 mg/L范围内，并受到生物地球化学条件和气候变化等的影响。在蒸发、降水与径流的水循环过程中，DOM发挥着重要的能量传递与分配作用。
图2 DOM的主要组成成分
表1 不同类型天然DOM的分子参数
图2归纳了DOM的主要组成成分，碳氢化合物、碳水化合物、小分子有机酸、腐殖质（富里酸与胡敏酸）、脂肪酸、氨基酸、糖类和蛋白质等都属于DOM的范畴，其中，腐殖质、多糖和蛋白质是最重要的三大代表物。表1中列出了各类型DOM的分子量和常见官能团。这些差异表现在来源多样性、生物活动、气候和季节、土地利用和人类活动、水体类型与物理化学过程等方面。尤其是，腐殖酸和富里酸可以看作是数千个不同分子的超分子组合，这些成分的高度多样性和复杂性导致了难以对DOM的特性进行准确描述。Hiroshi等的实验表明，异养细菌可以迅速消耗不稳定化合物（葡萄糖或谷氨酸），释放具有复杂化学成分与活性的DOM。在区域性上，Li等调研了我国九大河流水系，指出我国北方的河流DOC（溶解性有机碳，是DOM的一部分）浓度比南方高46.8%，强调气候和人类活动对DOM动态变化的潜在影响。经统计，珠江每年向南海输送约0.61 Tg C的DOM，DOM浓度平均2.1 mg/L，仅为长江的1/4（8.4 mg/L）和黑龙江的1/5（10.1 mg/L），可降解能力差距很大。Maurischat等对纳木错湖上下游的DOM含量进行了分析，湖内浓度为4.3 mg/L，作为湖水来源的冰川水仅为0.6 mg/L，下游湿地水源的浓度则为12.4 mg/L，说明自然因素和不同水体的缓冲能力决定了水溶液性质。
在淡水环境中，碳水化合物占DOM的重要比例，它不仅仅是各种异养微生物的重要能量来源，也是细胞中的能量、储存和结构组分，除此之外，蛋白质、类脂、核酸、纤维素等物质也是DOM的重要来源。碳水化合物还是水生态系统中最重要的生物聚集体，其中，一部分容易被细菌的生长代谢过程所利用，另一部分还可以形成颗粒有机碳（particulate organic carbon，POC），被浮游动物所利用，形成生物食物链的一个微型环节。另外，由碳水化合物与其他有机物构成的腐殖质对重金属离子具有吸附及络合功能，影响重金属离子的地球化学循环与环境归趋。糖类对DOM分子的形成也构成贡献，水力停留时间长的水体，如碳汇型湖泊，DOM的糖类浓度很低，甚至需要外源补给。
2. DOM的功能分布特征
DOM与水环境中的氮磷钾钙等营养盐、重金属离子及异养型微生物的物理－化学－生物行为有着密切的联系。Leenheer等的研究发现，DOM的亲水组分主要含有腐殖酸及富里酸，还包括有机酸、氨基酸及各类碳水化合物。近年来，借助三维荧光解析，将DOM分为类蛋白和类腐殖质两类荧光物质，如色氨酸、酪氨酸等具有芳香结构的类蛋白荧光物质；而分子结构相对复杂的腐殖酸和类富里酸也会产生荧光物质，原因是带有羧基和酚基的聚苯环芳香族化合物所表现。类蛋白及类腐殖质这两类荧光物质包含若干个荧光发色团，荧光峰的位置和来源相对确定。不同水体DOM中主要荧光峰的位置和强度，以及各峰的时空变化，反映DOM组成及来源的特异性。根据DOM的吸光性质，将DOM划分为有色溶解有机物（coloured dissolved organic matter，CDOM）和无色溶解有机物（invisible dissolved organic matter，iDOM）。有色溶解有机物CDOM是水体中分子结构未知的、成分复杂的高分子化合物的混合物，是DOM中具光学特征的部分，其来源、迁移和转化过程会干预水体中有机碳的循环，CDOM的光学性质稳定，对于紫外光以及可见光有强烈的吸收特性。这些性质影响水体的光合成作用，调控初级生产力，从而控制生物链传递与生物量的循环周期。如吸收光波长和DOM共轭的关系，一方面，碳链长度、氨基、硫化物、羰基、羧基和羟基引起红移，而卤代基团、硝化基团、磺酸基团引起蓝移，解释了质子化引起的红移和蓝移。自然现象里，酸壤呈现红色，是由于酸性条件下土壤有机物更容易和游离的Fe3+离子结合。盐碱化土壤呈黄色则反映出有机物对金属离子结合力的下降。
DOM普遍为大自然生物降解选择性之后的产物，其分子量与结构稳定性存在相关性，大分子量的DOM容易被悬浮物或胶体颗粒吸附而沉淀或转移到悬浮物中，相反，较小分子量的DOM则很容易生物降解，所以，处于溶解状态而不易降解之间的DOM其分子量分布在几个至几千kDa范围内。分子量的分布极有可能受到水环境的溶液性质所决定。因受阳光、降雨量、湿度、植被、动物与植物多样性等方面的影响，结合气候变化和地表径流特征，天然水体中DOM的浓度通常为0.1～0.5 mg/L范围，低于海洋中的平均浓度。水环境中DOM的分布遵从自然法则，气候变化、环境条件、星球引力（潮汐作用）、生物多样性、人类干预等均发挥影响作用。
海洋中DOM的浓度在时间尺度与空间尺度上的分布比较稳定，表明DOM维持着向海洋运输有机物的组成，其光化学反应显著影响其转化和命运。海洋是没有雨季和旱季差异的，此外，冬夏差距很小，像仙台、福岛以东的远海，常年水温在26℃以上，相反，南极和北极的海洋水体可以降低到15℃以下。河流DOM的化学性质在很大程度上决定了它们随后的光化学转化，体现出生物选择性优先的原则。比如，在旱季，由于降水量和光照时间偏少，使得芳香性强、氧化性弱、不饱和度高和腐殖化程度低的酚类化合物、多酚类化合物和类腐殖质组分被保留下来；在湿季，生物降解代谢活动的增强，导致DOM分子式中氮、硫原子的个数增多。季风气候和草原气候差异的原因使河流中DOM来源、组分和化学结构表现出了可变性。
DOM的时空分布特征受水体营养元素种类与含量的约束，DOM和无机磷之间通过铁羟基建立关系，受氧化环境（MnO2，O2）等的控制，对水生生态系统健康、能量流动与生物地球化学循环构成影响，促进或抑制光化学和微生物降解所产生的效应，表现出复杂的功能分布特征及其环境调控作用。针对以上的讨论，人类需要通过认识来追踪DOM的环境演变，其浓度/结构的分析与表征必须得到充分发展与理论加强。
02 DOM的分析手段
1. 方法原理的归纳
基于DOM在水体中低浓度存在与组分多样性的特征，定性定量结合的光谱原理技术被广泛开发和应用，分离纯化技术必须优先。早期的分离方法主要集中在对有机物（organic matter，OM）的物理化学性质进行分类，将溶解性相似的组分加以归类。这导致了将OM中能通过孔径为0.45 µm（有些学者规定为0.22 µm）滤膜的物质称为溶解态有机物DOM，其余则为颗粒态有机物（particulate organic matter，POM）。实际上，DOM和POM之间并没有清晰的分界线，但这一划分方法在国内外却被广泛认可为一种有效的分离原理。在此基础上，进一步探索DOM的化学成分和结构分布，使用包括紫外可见吸收光谱（UV-Vis）法、三维荧光光谱法、离子交换色谱法、核磁共振波谱法、以及红外线光谱法等多种分析与表征方法。这些方法按原理可划分为三类：1）光学方法：DOM在水中对光的吸收和散射具有独特的特征，通过测量DOM样品在不同波长下的光谱（吸收光谱和荧光光谱），可以获得DOM的光学性质信息；2）分子组成分析：通过使用高级色谱技术（如凝胶渗透色谱、液相色谱、气相色谱等），可以分离和定量DOM中的不同分子类别，如蛋白质、脂肪酸、多糖等；3）碳氮硫磷比和稳定同位素：DOM中碳和氮等元素的含量和同位素组成提供了有关DOM来源和转化过程的信息，关注DOM的结构、同位素组成以及在生态系统中的角色和交互关系。DOM分析与表征方法的原理、应用对象与技术特征详见表2。
表2 DOM的分析原理、应用对象与技术特征
对DOM中关键分子式（key molecular formula，KMF）的鉴定引起了越来越多的关注，因为它们可以作为各种生物地球化学反应的代理，获知DOM的氧化程度、芳香性、分子量具有反应性的趋势信息。成分分析按照分析对象和要求可以分为微量样品分析和痕量成分分析两种类型。按照分析的目的不同，又可分为体相元素成分分析、表面成分分析和微区成分分析等方法。所希望的表征工具中能够提供DOM在结构/基团/价键/大小/电性/芳香性/电子/能级/活性/极性/振动/能级等的信息集合及其解读。如，结合FT-ICR MS的结果，再根据DOM的光化学活性，将DOM分为三类库：光化学活性较高的L库，光生成的P库和光稳定的R库。L库主要由不饱和、高芳香度的陆源物质组成，如木质素和单宁；光反应生成的产物分子（P库）则芳香度较低，主要由饱和脂肪族、类蛋白及糖类物质构成；光稳定的R库化合物指对光激发失去活性的化合物。
探测水环境或土壤环境变化中的DOM及其化学反应中间体成为了巨大的挑战。采用光谱学、傅里叶变换离子回旋共振质谱法和电子供给能力（electron donor capacity，EDC）将激发态三态有机物（fluorescent triplet state dissolved organic matter，fTMP）、单线态氧（Φ1O2）和羟基化物质（Φ•OH）的量子产率与DOM组成联系起来是有前途的工具。采用高通量信息与多元线性回归多种技术派生的DOM组成参数联系起来，实现方法互补，被认为是构建DOM表征手段的集成方法。人们关注一个生态系统中的多种变量，如作为初级生产力、碳循环速率、固碳能力、水溶液性质、光学属性（荧光指数（FI）、腐殖化指数（HIX）和特异性254 nm紫外吸光度（SUVA254））等，通过对DOM的表征，结合化学指标与光学指标的分析结果来深入认识生态系统的连通性。
2. 分析手段的应用案例
分析手段是建立在尺度与场结合的基础上加以分类：尺度可分为痕量分析（给水厂出水）、微量分析（海水）、少量分析（溪流、河流）、常量分析（湖泊、水库、海岸带）、宏量分析（污水、废水、废液），以含量大小和信号强弱加以区分；场包括物种、浓度、温度、光学、声波、电磁、分子、离子、电子等，以性质差异作为依据。利用有机碳分析仪、荧光分光光度计、同位素质比质谱仪以及傅里叶变换离子回旋共振质谱法等手段，可以探测河流不同水环境和空间位置中DOM的化学特征。通过电感耦合等离子体质谱检测溶解态重金属，结合溶解性有机质丰度和光谱特征参数等数据，解释不同水环境中溶解态金属浓度水平及其与DOM中的CDOM、荧光溶解有机物（fluorescent dissolved organic matter，FDOM）以及其他有机质含量的计量/组成关系。
采用吸收和荧光光谱、碳稳定同位素和FT-ICR MS技术对高度城市化河流和水库的水样进行分析，探讨城市化对DOM特性的影响。发现受扰动水体（干流、支流和池塘）溶解性有机碳浓度较水库水体高；光谱、同位素和FT-ICR MS分析结果表明，扰动水体DOM的芳香性、平均分子量以及植物或土壤的陆地来源（如类木质素）贡献较低，但微生物衍生的类蛋白和人为含硫化合物（如合成表面活性剂）比水库水体DOM的含量高。这些特征从上游到下游逐渐增强，表明人类活动对下游水体的影响更大。点源废水出水输入导致干流中DOM浓度水平升高，DOM化学特征突变，且具有很强的人为特征。城市DOM（主要源自受城市化影响的水体，如高度城市化的河流和水库中的有机溶解物质）与天然有机质的不同化学性质凸显了快速城市化对水生生态系统碳和养分循环产生潜在的巨大影响。
UV-vis方法遵循Beer-Lambert定律具有检测迅速，操作简单、精密度高、测试范围广以及灵敏度高等优点。在紫外波段中，带有共轭键和苯环的芳香族化合物具有特征吸收现象，通过参考紫外可见光谱特征参数，可得到DOM结构及组成特征。三维荧光光谱（excitation-emission matrix spectroscopy，EEMs）作为一种光谱指纹分析技术，普遍应用于DOM特征的研究，其最大特点为可方便而又快捷地揭示DOM中所含的类腐殖质和类蛋白荧光基团的组成信息。利用三维荧光激发发射荧光矩阵光谱可以获得CDOM的结构信息，其测定原理是CDOM分子吸收光能量后，部分处于基态的分子跃迁为激发态，由于激发态不稳定，会返回基态，从而发射荧光信号，发射荧光的部分可以利用荧光光度计进行测定。应用荧光光谱技术研究CDOM，主要是基于其结构中含有大量的含各种官能团的芳香结构和不饱和脂肪链等荧光团，该技术还具有灵敏度高，不需破坏样品本身，选择性好及需要的样品量少等优点。目前，该方法已经成为研究水生态系统中DOM性质的重要工具之一。DOM中的碳水化合物分析方法体系主要以分光光度法、色谱分析法和核磁共振波谱法这三种为代表。对比上述三种方法，分光光度法是测定碳水化合物总量最为简便的方法，按实验中使用的显色剂不同又可分为苯酚硫酸法和2,4,6一三吡啶-s-三嗪（TPTZ）法。苯酚硫酸法的主要原理是碳水化合物遇到浓硫酸会有脱水现象，进而产生了糠醛或者轻甲基糠醛等多种衍生物，该衍生物遇到苯酚会生成有色化合物，该方法操作比较方便，但灵敏度偏低，并且标准差较大等缺点。TPTZ法则是由Myklestad所建立的，其主要步骤为：在碱性条件下，单糖、非还原性糖和多糖会被氧化生成醛，再与Fe3+反应，Fe3+被还原成Fe2+，Fe2+与TPTZ反应生成蓝色的络合物，随后在波长为595 nm处测定其吸光度。该方法的优点主要式具有较高灵敏度及较强的抗干扰能力，但其操作十分繁琐。
DOM的化学组成决定其生物地球化学功能，其分子组成分析是当前分析化学领域的一个热点。高分辨质谱（high-resolution mass spectrometry，HRMS）是目前表征其分子组成的唯一手段，可以使用的仪器包括FT-ICR MS和静电场轨道阱质谱（Orbitrap MS）。然而，目前没有公开的DOM分析方法标准，不同实验室间，或同一实验室不同时期所获得的DOM分子组成数据可能存在巨大差距，这些差异可能来源于不同地理背景、水文气候条件和土地利用类型的影响。通过对比不同型号的HRMS及其在不同实验室所开发的“最佳仪器条件”下，分析同一DOM样品分子组成的结果，可以明确：1）针对一系列DOM样品，不同的HRMS仪器能否从中识别出统一的分子组成及相似的变化趋势；2）为HRMS研究DOM提出可以指导质谱方法开发或者DOM数据验证的关键指标。
溶解态金属浓度与溶解有机碳（dissolved organic carbon，DOC）浓度或UV254并不总是显著相关，但它们更可能与类蛋白FDOM组分的最大荧光强度相关。如Cu/DOC比值与SUVA254之间的相关性尚难以证明，但类蛋白FDOM组分的Cu/DOC比值与Fmax/DOC比值呈正相关。我们注意到，类蛋白FDOM可能比类腐殖质FDOM和CDOM在与城市黑臭水体中溶解态金属相互作用方面显得更重要。
堆填场垃圾渗滤液是一种具有高环境风险的难降解有机废水，利用电喷雾离子化（electrospray ionization，ESI）与FT-ICR MS相结合的方法，对渗滤液中的DOM进行了分子组成特征分析，表明渗滤液中的DOM更饱和、氧化程度较低，含有更多的含氮和含硫物质，造成了生物处理的抑制性因子，其中的木质素衍生物和含硫物质作出了主要贡献，对此，应该开发更加有效的工艺。尺寸排除色谱（size-exclusion chromatography，SEC）与光学测量相结合已成为一种流行的形式DOM的分析分子大小的函数。这里，SEC与内联相结合利用吸光度扫描和荧光发射扫描得到视荧光量子产率（Φf）作为的函数分子量（molecular weight，MW），通过这种方法可以识别高度荧光大小的DOM部分，以便更详细地分析化学成分和它通过不同的处理机制所发生的变化。
3. 技术联用与未来发展
关于分析手段，未来的发展方向包括：组分分离、高通量信息、浓度区间、代表性类群、相关性模型、灵敏度、检出限、可靠性、活性与原位、物化与生化、联用技术、色谱－质谱－数值联用等。需要加强表征手段－物化性质－地球化学行为－环境问题之间的响应关联性，开发多功能分析仪器。Wang等最近评估了从污泥衍生的DOM中的腐殖质测量，以及包括改良的Lowery法、三维激发发射矩阵（3D-EEM）、XAD-8树脂提取等传统方法，结果显示出对腐殖质定量的高估和矛盾。平行因子分析是求解多维数据集中底层结构的强大工具。快速发展的多维数据捕获技术正在将科学瓶颈从收集数据转变为解释数据。近年来，使用PARAFAC解释荧光EEMs的情况也相应扩大。然而，获得准确且具有化学意义的PARAFAC模型的任务并非易事，特别是当数据集包含高度相关成分的复杂混合物时，就像有机物荧光一样。技术联用正在逐渐替代单项分析技术，结合数字化，实现实时与图像的结合。
针对DOM的分析科学，不仅在检测物性和定量浓度方面上，也需要提取和分离污染物，再净化和再利用，将资源用于改善环境卫生和更多可持续的未来方向上。分析科学的基本方面包括精确和准确的测量，它的复杂性、成本和安全需要准确评估，有时是复杂的矩阵分析，信息通量成为一个巨大的挑战，尤其是当污染物的存在为未知或复杂的混合物时。在提高我们对环境污染问题的理解与确定保护目标方面，分析的科学原理与技术手段扮演着重要的角色。需要我们努力改进现有技术，开发新技术，越来越多的趋势在于手持使用和远程使用技术的结合，借助于机器学习技术实现实时监测数据集的在线获得及其解释。在追求技术挑战的同时，我们还要注意强调成本效益和安全的可持续性
03 DOM的环境效应
在深入研究DOM的环境效应之前，我们先审视DOM在水体中的引入和存在对自然界的影响。不断进入水体环境的DOM或者生态系统中已存在的DOM可能引发的次生效应反映了大自然中熵增与有序的矛盾。DOM的吸光、分解、螯合等功能为水质自然净化提供了负熵，是高污染水体和复杂水体之间的关键调节因素。DOM的种类和总浓度之间体现了极限与阈值约束的相关作用。Park等研究指出，在河流和湖泊等水体环境中，DOM对水体的营养水平、化学特征以及水生生态结构产生深远影响。例如，在经过控制营养盐的河流中，DOM中氮、磷、铁、钾元素的过度存在可能是导致水体富营养化的关键因素之一。同时，DOM的结构组分具有吸收外界紫外线的能力，降低光在水体中的渗透性，有效保护水生生物。在地球化学循环中，DOM表现出重要功能，其组成和微生物生态系统功能之间具有强相互作用。在陆地上，通过微生物的分解作用，枯枝落叶被分解成土壤中的有机物质，通过暴雨径流进入水体，最终完成了水陆循环。在水生环境中，水生生物通过新陈代谢将DOM进一步分解为无机碳。此外，在水环境中，DOM与重金属离子发生络合或螯合反应，生成有机复合物与无机复合物，阻碍重金属离子被水中颗粒和沉积物吸附，导致水体中重金属含量升高，改变了重金属离子的生物有效性。DOM是重要的重金属络合配体，在多种环境介质中使重金属表现出复杂的反应机理。定量预测重金属从DOM上的释放速率是研究重金属生物有效性、反应转化和迁移归趋的关键环节。普遍存在的DOM还会对污染物的吸附与分解产生影响。在水环境中，DOM通过静电吸附、络合反应以及离子交换与有毒污染物发生反应，影响其在水体中的行为。DOM大分子有机物同时含有多种有机官能团，如氨基、羟基、羧基及羰基等，与重金属离子结合生成大分子复合体，有利于难溶污染物的转移。DOM与水中微生物群落关联紧密，影响群落组成及功能。部分DOM可通过细胞膜的渗透作用进入生物体，改变细胞膜的生化性质，阻碍Na+和K+的传递。DOM的存在能够引发多种生物化学反应，增加生物体内各种转化酶的表达。另外，DOM还能在一定程度上影响生物体的内分泌系统，对生物的生长产生不良影响。DOM对水体的影响不仅仅局限于生物层面，还涉及水体的物理和化学性质。DOM是导致河流变黑、发臭的重要原因。DOM强烈干预地表水中的溶解氧和异养微生物的分布状态，显示出人类活动对表层沉积物的长时间影响。城市污水和工业废水的排放对天然水体的水环境和自来水厂的水质安全带来的风险不容忽视。
关于DOM的性质研究表明，疏水性和生物降解性之间存在强烈的负相关关系。不同内陆水样中的疏水性DOM组分的生物损失有助于理解有机碳地球环境化学过程。DOM在空间和时间尺度上的理化性质高度变化，对元素（如C、N、S、P和重金属等）的生物地球化学循环起着至关重要的作用。DOM的性质和组成在很大程度上决定了其与其他元素物质相互作用的程度。在众多环境参数中，温度是控制DOM相关反应的基本因素。温度直接或间接影响DOM的生物及非生物过程。温度与DOM的芳香度和DOM组分数量在统计学上呈显著正相关。然而，温度调节和微生物代谢的具体作用尚不明确。尽管如此，气候变暖条件下，DOM的贡献在生物地球化学循环中显得尤为重要。DOM的分子量是其关键性质，直接影响生物可利用性、光化学性、金属/污染物结合能力、膜污染电位和消毒副产物的形成。阳光能够增加或减少生物可降解性组分（bioavailable dissolved organic matter，BDOM）。光降解对DOM生物可降解性的净影响通常是积极的，通过光子剂量介导的光化学产生和去除BDOM之间存在一种平衡。光化学改变不稳定DOM的速率相较于生物可降解速率要低一个数量级，因此DOM的命运由多因素共同决定。
综上所述，DOM的环境效应呈现出极其复杂的特征。为更深入地展现DOM在不同自然对象中的异质性，我们回顾了大自然中不同类型水体的特征及其与DOM的密切关系。首先，我们聚焦于天然水体与给水，包括东、南、西、北各地区的河流、湖泊以及海洋。这些水体之间的差异性直接影响DOM与水体的营养水平、化学特征以及水生生态结构的关系。其次，我们着眼于城市污水，特别是针对城镇化加剧的社会发展，这是另一个值得深入研究的领域。不同地区的气候、饮食习惯和经济水平显著影响城市污水中DOM的种类和总浓度。此外，城市的水处理工艺也在改变DOM的性质，对水体产生多方面的影响。最后，我们转向工业废水，其复杂性和多样性要求我们深入了解DOM的环境传输行为。从重工业、轻工业到钢铁、石油化工、造纸和食品酿造等工业废水中，DOM与污染物的相互作用直接影响着水体的健康状况。接下来，在这个背景下，我们讨论自然水体、城镇污水、工业废水、厌氧发酵与渗滤液等不同类型的水体/溶液，分析DOM在不同介质中的环境效应。
1. 天然水体与给水
在自然水生系统中，DOM的组成和质量会影响水生健康以及营养物与污染物的生物地球化学过程，包括生物可用性、光照渗透、水生营养状态和微生物群落结构。前面已经论述，DOM的来源出了天然途径，还有城市污水和工业废水的排放，以及农业释放等，组分非常复杂，DOM组分和质量的变化改变了河流和湖泊水体环境行为和生态效应。有文献指出，我国巢湖周围24个污水处理厂附近的河流和湖泊水体DOM的生物指数（biogenic index，BIX）和腐殖化指数HIX值暴露，接收水体DOM具有重要的近代自源性，表明了难溶的天然有机物（effortlessly soluble natural organic matter，EfOM）和其他外来DOM能够促进浮游植物生长，加速水体的富营养化。此外，受环境因素（如光氧化、生物降解、吸附等）的影响，DOM组成（酪氨酸类、可溶性微生物副产物类、腐殖质类）变化显著，表明沿水通道的流动过程中，不稳定组分分解，难溶组分相对比例增加。其中，腐殖质显著增加，河流和湖泊DOM对疏水化合物具有更大的亲和力，降低了污染物对水生生物的可利用性。因此，DOM在降低污染物生物利用性方面的作用不容忽视。
准确认识RDOM的惰性机理，对于进一步了解海洋储碳能力及其在全球气候变化中的反馈作用尤为重要。Benner等认为，复杂的分子组成和分子结构赋予了RDOM的惰性特征，暗示着我们的海洋能够继续以RDOM的形式储存有机碳，以此缓解日趋升高的大气CO2浓度。一般海水中含有溶解有机碳RDOM 0.5～1.5 mg/L。其中，腐殖酸和富里酸为稳定或不活泼的组分；氨基酸、甾醇、脂肪酸和烃类等为不稳定的组分，来源于海洋生物的排泄物、废弃物以及死亡生物的分解产物。海水中稳定或不活泼的有机物占RDOM的大部分，其中，一种是来自古代陆地沉积和岩石中的有机物质，可能源自古代时期的植被、生物残体或其他有机物，经过漫长的沉积和地质作用，被释放并随着风化等过程进入河流，最终输送至海洋；另一种可能是由海洋生物生产的某些简单有机化合物，通过反应而在海洋中生成的主体DOC。
海洋DOM含有比地球生物群总和更多的碳。海洋中的生物不断释放无数的分子，这些分子成为微异养生物的食物，但由于未知的原因，残留部分作为DOM持续了数千年，DOM的稳定性是由其分子固有属性决定还是生物链决定，是对未来分子生态学研究的挑战，也是理解缓变的海洋世界所迫切需要的。90%以上的海洋DOM在生物学上是顽固的，对此，难以判断的是这种顽固性属于本质上的难熔分子还是系统性平衡的补偿，它们的相对贡献被长期争论。
珠江三角洲大部分河流中DOM主要是来自陆源富含CHO和木质素类的有机质，富含N和S的有机质会被微生物快速降解；DOM可通过光降解和生物降解的协同实现全球碳循环的驱动。光化学反应是表层水体中DOM转化和去除的重要方式之一，对水生态系统的物质循环有着不可忽视的影响。悬浮颗粒物（SPM）是缓流河的重要组成部分，因其负载了各种金属离子如铁离子，作为催化剂推动了光化学反应的潜力。大型水库是碳排放的热点，它不断地接纳和分解来自陆地的溶解物，上游流域的DOM是重要的碳排放的来源，暴雨会导致洪水激增和DOM的输入。暴雨增加水库二氧化碳和甲烷的排放，是由新鲜植物的激增和分解所推动的陆地衍生生物可降解DOM的入流。
给水厂的水来源于天然水体，其DOM也有可能被局部的污废水残余物所贡献，DOM的组成及其浓度与给水厂的处理工艺密切相关，同时也与水厂消毒副产物的产生密不可分。在一般的水厂中，DOM的存在会对胶体的稳定性产生不良影响，在混凝过程中，由于DOM的存在，所形成的矾花密度小于无机矾花，且稳定性较差，过于蓬松，在沉淀池出水的流动过程中随之流失，最终导致水厂药剂消耗量的增加。可生物降解的DOM不利于管网分配系统的生物稳定性，并有可能导致微生物的再生。因此，DOM的在线监测与影响评价应该与其他水质指标一样受到重视。DOM分子组成的驱动因素对于了解全球碳循环至关重要。湖泊中DOM的组成主要受光降解程度、硫化程度和pH值差异等的影响。DOM的分子多样性显著，深海、河流与湖泊DOM的差异呈现出等级，随时间推移的分子演替以及组成的特异性值得深入探索。
2. 城镇污水
基于全球城镇化的发展以及大部分城市都是傍水而建的特征，构成了集中式的DOM向水体环境传输的流域格局。目前，全世界的城市污水和工业废水处理量约为3800亿m3/y，我国的城市污水排放量约为530亿m3/y，工业废水处理量约为360亿m3/y，合计约占全国地表河流径流量的3%～4%。Wang等的研究指出，市政排放尾水的COD和总有机碳（total organic carbon，TOC）中，DOM占的比重较大，分别为78.1%～86.5%、82.6%～86.6%。从污水处理厂排放的腐殖质、蛋白质和多糖等有机物是受纳水体中DOM的重要来源。Zhang等以西安2个AAO污水处理工艺为考察对象，分析了缓慢降解有机物（slowly biodegradable organic matter，SBOM）的转化特性和利用潜力。在厌氧和好氧生物降解条件下，SBOM在8 h内以65%的速度转化为更易于生物利用的底物，如挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）、多糖和蛋白质等。此外，还产生了难以生物降解、易积累的腐殖质型非生物降解性物质。这些产物可被进一步水解为醛类和酮类的化合物，然后再转化为含氧官能团的物质。蛋白质类物质的分子量分布广泛，随着时间的推移有降低的趋势。长时间的微生物分解作用增加了小分子物质的比例，增加了有机物的生物利用性，可明显提高脱氮效率。
作为水生生态系统的重要养分来源，可生物利用的DOM可以被细菌、浮游生物和藻类直接或间接利用，可以改善地表水中的养分水平。在污水处理厂的排放中对氮和磷实施了严格的限值要求，开始采用膜生物与膜分离相结合等先进的脱氮除磷处理方法，以提高营养物质的去除效率，使排放污水中溶解性有机氮和有机磷可能占剩余总氮（40%～85%）和总磷（26%～81%）的很大比例。排放污水浓度中的元素比例可能成为受纳水体的进一步污染因素，对于富营养化的控制，总氮去除比总磷去除更重要。
污水处理必须伴随着污泥的生成，1 kg BOD的去除约产生0.4~0.6 kg的干污泥。污泥是微生物通过胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）的絮凝作用形成了集聚体，构成污泥的蛋白质、脂质、核酸和多糖等物质是DOM的原生物质，产生于污泥的大部分DOM是源自EPS的可溶性微生物产物。DOM是微生物的直接营养来源，极大地影响微生物群落及其活性，在生物利用之前，不溶性有机底物必须先水解为DOM。由此可见，微生物利用DOM，同时，微生物也产生DOM。城市污水处理的工艺必须要考虑各种途径DOM的环境归趋，加强指标间、元素间的合理相关性。
3. 工业废水
作为DOM的环境效应，工业废水的排放与贡献是不能忽视的。煤化工废水、造纸废水、印染废水、皮革废水等都具有贡献DOM的典型特征。焦化废水是煤化工废水的典型代表，储藏于地下千万年因地质成因的煤矿，含有丰富的类木质素结构，其中，芳环类物质和含有碳碳双键、碳碳三键等的不饱和链烃居多。焦化废水经过厌氧-好氧-水解脱氮-好氧（A-OHO）工艺降解后，ρ(COD) 4000~6000 mg/L的废水原水中大量的有机污染物被转化或者矿化，残留150~200 mg/L COD属于难降解的有机物，其中大部分为DOM。有研究表明，一些废水经过生物处理后，难降解物质的比例反而会升高。这是生物处理工艺的局限，也是微生物降解污染物的动力学关系所决定。水解段（H）和完全硝化段（O2）出水DOM没有明显的紫外－可见光吸收峰，说明水解反应能够降低DOM的浓度。紫外－可见光谱吸收数据结合TOC分析可得到反映焦化废水芳香化程度的SUVA值，如表3和图3所示。
表3 焦化废水各处理阶段的TOC、UV254和SUVA值
图3 焦化废水各处理阶段DOC和SUVA的变化
出水的SUVA值最高，表明出水DOM的难降解物质含量相对比例最多，废水的可降解性最低。从各个反应器和废水原水的SUVA对比可知，废水原水中也存在相当比例的难降解物质，但并没有形成对好氧降解菌的显著抑制作用，废水仍然被降解。SUVA值随处理工艺的推进而不断升高，说明DOM的芳香化程度也在升高，这是因为焦化废水DOM中可降解有机物不断减少，而难降解的芳香类、双键类物质在不断聚集，使生物出水中残留的有机物表现出最强的芳香性。
溶解性有机硫（dissolved organic sulfur，DOS）是皮革废水中溶解性有机物的重要组成成分。Qu采用高分辨率等离子体质谱（HR-ICP MS）和FT-ICR MS考察了DOS在某实际废水处理厂（厌氧/缺氧/好氧+混凝沉淀+反硝化滤池+次氯酸钠消毒）的沿程浓度分布和分子转化特征，结果发现，废水处理排放中的DOS平均浓度为60.4 µg/L，依然高于海洋、河流等自然水体的DOS浓度（2.56~32 µg/L），表明废水处理厂是DOS的重要排放来源。这项研究提供了工业废水DOM多样性的另一种暴露。由微生物产生的EPS对重金属离子的吸附激发人们考虑DOM改性制备高效的生物吸附剂，如采用Pb2+胁迫培养恶臭假单胞菌（pseudomonas putida，P. putida），定向调控EPS的化学组成，增加EPS产量，使EPS对Pb2+的吸附性能提高1倍以上。
以焦化废水为计算依据，我国每年排放的焦化废水量约为2.8亿t，以40 mg/L DOM进入水体环境计算，全国每年的DOM排放量达1.12×104 t。焦化废水只占工业废水的3%左右，可见，工业废水的DOM年排放量到了需要高度警惕的水平。工业废水的深度处理可以选用吸附技术，利用焦炭、活性炭、改性壳聚糖等大分子材料去除焦化废水尾水中的DOM；生物处理出水中DOM可通过多壁碳纳米管、羧基功能化碳纳米管、羟基功能化碳纳米管和功能化生物炭等功能材料吸附去除，正确的吸附是考疏水和非疏水相互作用、氢键形成和静电引力的联合机制。以上表明，工业废水除了污染物的典型性外，更应该追溯原材料来源驱动的DOM在地球化学循环中的作用。
4. 厌氧发酵与渗滤液
厌氧过程中，有机废物通过发酵产生沼气的清洁能源，可以减少温室气体的排放当量，控制全球变暖和气候变化，沼液所富集的营养盐成为无机化肥的替代品。沼液中含有丰富的氮、磷、钾和多种植物生长需要的氨基酸、蛋白质等成分，能够为农业生产提供了优质肥源，提高土壤肥力，改善土壤生态环境，提高农产品质量。然而，DOM是沼液中重要的有机组分，当沼液用作土壤肥料时，它能与重金属发生作用，极大地影响土壤重金属的迁移和转化。研究表明，沼液/渗滤液/酵母发酵液/醪液DOM中类蛋白、类富里酸和类腐殖酸等荧光基团组分与Cr3+、Cu2+、Zn2+、Pb2+和Fe3+等重金属离子均形成络合物，改变Π键能量，造成荧光猝灭、荧光增强、红移、蓝移等现象的发生，含氧基团、荷电性与芳香性质影响不同金属离子的络合稳定性。因此，沼液DOM能够改变土壤环境以及沉积物中重金属的浸出量。与DOM组分、络合物稳定性、pH值、沼液施用浓度以及土壤吸附作用有关。
图4 污泥厌氧消化过程DOM的转化
DOM在污泥堆肥中的腐植化作用需要通过DOM分子组成的总体指标、微观分子转化、识别关键分子式以及与微生物群落的关联加以阐明。比如，含氮化合物比CHO化合物更易热力学利用，表明从污泥中释放生物源性含氮化合物即氨化是优先于甲烷化的堆肥，不同阶段的主要反应类型（氧化脱甲基、脱氨和脱硫等）以及关键分子来自于DOM-微生物的相关网络机制中。垃圾渗滤液和污泥消化液具有比较接近化学污染物特征，来源于厌氧工艺，垃圾填埋与厌氧沼液向全球输送的DOM是重要的污染源。
04 总结与展望
人类活动依赖于自然水体，而DOM是水环境中的重要组分之一，广泛存在于饮用水、生活污水和工业废水中。DOM的内部来源主要是环境中异养生物的代谢产物和在沉积物间隙水中释放的有机物，而外部来源则包括各种人类活动对水体的直接或间接输入。对DOM的准确理解与定量监测分析，评估排放量，跟踪生物降解的选择性，明晰分子量与结构的归趋，对于阐明浓度存在与平衡的意义，成为自净化的能量来源和降解驱动力，少量存在的DOM有助于传输重金属与成矿，构成促进碳汇－缓冲突变－微生物生产力的作用，平衡物理－化学－生物量系统作用的关系等，DOM的活力可能与溶液性质建立边际效应。以上研究为城市河流生态系统DOM的环境效应和全球水体污染治理提供了新思考，加强人们对碳循环的新认识。针对这个领域，未来的重要研究方向包括：
1）注意DOM对生物活动的探针作用，DOM作为生物活动“分泌物”，可以示踪微生物种群的兴衰，作为群落数据和DOM种类数据耦合研究的案例。
2）利用DOM对限制性元素的循环调控作用，考察自然界DOM的吞吐回用机制如何促进N、P、S等营养元素的矿化与再生。
3）加强理解溶液性质改变（尤其是还原性水体和酸性水体）对DOM的物质数量、构成比例、溶解性能、各种生态功能变化的制约作用。
4）明晰DOM的自组织方式、浓度形成机制和组分构成的关系，探索不同水质浓度和组分的关系对生态生产力的反馈机制。
5）加强物种－性质－作用的相关性分析，建立高通量信息、源汇通量、自然光降解、生物利用、次生生产力、重金属输运、碳转化的元素匹配、富营养化的碳源机制等信息相关的溶液性质演变跟踪平台，支持DOM在性质特征、分析手段与环境效应之间的互通关系。
韦朝海 教授
《环境工程》编委
华南理工大学化学工程专业博士，二级教授，博士生导师。研究方向为：水污染控制理论与技术，水资源与水循环新原理，环境产能与节能材料。曾经主持国家自然科学基金重点/联合重点项目、国家863项目/支撑计划子项目、国家基金以及省部级各类科研攻关项目共36项，主持设计水处理工程及社会服务项目共60余项，涉及织造与染化废水、煤/石油化工废水、酿造与食品废水、制药废水、纤维加工与造纸废水、矿山重金属废水以及生活污水等。提出了溶液性质、仿生吸附、卧式矩形流化床、过程减盐、污泥曳力分离等概念，在新型结构生物流态化反应器与深度脱氮、资源循环控污的A-OHO和OHO工艺方面创造了集成技术，实现了大规模的工程应用。
