水环境溶解性有机质溯源与表征技术研究进展

水体中的溶解性有机质(DOM)来源广泛,成分复杂,可参与水中重金属迁移转化和生物地球化学循环过程,采用相应技术手段识别水体DOM来源,实现对DOM组分和性质的表征,对理解其生态环境效应具有指示意义。简要介绍了水环境中DOM的组成、特点及当前的研究热点,重点总结归纳了紫外-可见吸收光谱、三维荧光光谱、稳定同位素、生物标志物以及傅里叶变换离子回旋共振质谱等技术方法在水环境DOM溯源与表征中的应用特点、重要表征参数、影响因素和使用局限性。结果表明:紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱均有操作便捷、分析速度快、不破坏样品等优点,但二者对DOM表征的侧重点不同;稳定同位素技术重点关注DOM中的碳、氮等元素同位素组成及含量,生物标志物可记录DOM分子结构的信息,而傅里叶变换离子回旋共振质谱则是从分子级别对DOM进行表征。以上各技术对DOM的研究均有广阔的应用前景,但是由于DOM成分和组成元素的复杂性以及每种技术本身的局限性,多种技术的联合使用已成为水体DOM表征与解析的发展趋势。在此基础上阐述了多技术联用条件、目标和优点,归纳了现有研究中基于多技术联用的水环境DOM研究进展及研究案例,最后展望了DOM溯源与表征的未来发展方向。

不同碳氮比下后置反硝化工艺中溶解性有机质的分子特征及其转化机理

污水处理厂后置反硝化工艺中外加碳源的投加量会影响出水溶解性有机质(DOM)的特性,从而影响后置反硝化的处理效率和出水水质.本研究以实际污水中DOM为研究对象,利用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT ICR-MS)开展了不同碳氮比(C/N=3、4、5、6)下后置反硝化工艺中DOM的分子特征及其转化机理研究.结果表明,在4种C/N下,C/N=5的反应器出水芳香性DOM分子(AImod>0.5)和不饱和程度高的分子(DBE≥4)占比最高,分别为24.72%和97.6%,说明C/N=5时,出水难生物降解程度较高.通过分子转化分析可知,C/N=5的反应器产生的DOM分子占比(58.35%)最高且不饱和程度较高,去除的分子占比(2.80%)低且不饱和程度较低,再次证实C/N=5的反应器出水相较于C/N=3、4、6的反应器出水DOM分子惰性高,排放至受纳水体环境风险较低.此外,微生物群落结构及其与DOM的关联分析可知,Proteobacteria在C/N=5的反应器中相对丰度最高,其主导后置反硝化工艺中DOM分子的产生,Planctomycetota、Nitrospirota、Chloroflexi和Gemmatimonadota对DOM分子的去除和产生也具有重要作用.综上所述,推荐C/N比为5作为后置反硝化工艺中外加碳源的适宜C/N比.

亚铁活化过硫酸盐体系对水体溶解性有机质分子转化的影响

亚铁活化过硫酸盐(PS/Fe^(2+))高级氧化是修复有机污染水体的常用技术,在修复过程中会诱导水体中溶解性有机质(DOM)分子结构转变。为研究PS/Fe^(2+)体系中DOM的分子转化特性,选取腐殖酸(HA)、富里酸(FA)和天然有机质(NOM)3种不同种类的DOM为研究对象,利用光谱和高分辨率质谱对比分析了PS/Fe^(2+)反应前后DOM的理化特性和分子结构特征。结果表明:①与热或碱活化PS体系相比,PS/Fe^(2+)反应后DOM芳香度、分子数和分子量显著下降。②反应后,DOM中残留了含C、H和O的木质素和单宁类物质,去除了O/C<0.6的低氧化程度分子,生成了富含氮和硫的高氧化程度分子。③PS/Fe^(2+)体系去除了DOM中的不饱和态分子(49.3%~94.0%),生成饱和态物质的数量、类型因DOM种类表现出明显差异。研究显示,PS/Fe^(2+)体系在自由基氧化与络合作用的共同介导下显著增加了DOM的分子转化程度,进而可能影响共存污染物的环境行为。

湖泊微生物与溶解有机质相互作用关系研究进展

溶解有机质(DOM)参与湖泊元素生物地球化学循环,为微生物生存代谢提供能量来源和物质基础,与微生物之间存在复杂的相互关系。文章综述了DOM表征手段,阐述了湖泊微生物与DOM相互作用关系及其代谢机制,探讨了在气候变化背景下湖泊微生物与DOM对气温升高、盐化、富营养化等关键环境因子的响应。未来需进一步开展陆源DOM输入对湖泊生态系统影响研究,探究湖泊碳库的形成过程及其机制,揭示微生物作用对湖泊碳储存的影响,深化对湖泊生态系统固碳潜力的认识。

典型城市功能区雨水径流溶解性有机质特征及污染源解析

溶解性有机质(DOM)是城市雨水径流中有机污染物的重要组分,可与重金属、多环芳烃等污染物络合,对城市受纳水体造成危害。为探究雨水径流DOM的特性及污染来源,以西安市主城区为例,采集3个功能区(文教区、交通区和商业区)不同下垫面的径流样品,利用紫外-可见吸收光谱、三维荧光光谱结合平行因子分析和红外光谱技术,分析DOM组分类型及变化特征,并采用主成分-多元线性回归模型(PCA-MLR)进行污染源解析。结果表明:①除TP以外,3个功能区雨水径流的常规水质指标均未达到GB 3838−2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水质标准,路面径流DOM含量均高于屋面径流,其中,交通区DOM污染最为严重(42.17~58.80 mg/L),其次是商业区(27.37~54.72 mg/L)。②雨水径流共解析出3类6种荧光组分,路面径流DOM组分较屋面径流更为复杂,前者包括4种腐殖质、1种富里酸和1种类蛋白,后者包括3种腐殖质和1种富里酸,且随着降雨历时的延长,DOM各组分含量呈现下降趋势。③各功能区路面径流DOM所含的主要官能团种类相同,包括−OH、−COOH和苯环等官能团,以及C=C、C=O等不饱和键,其不随降雨历时的变化而改变。④源解析发现,屋面径流DOM污染源包括大气沉降污染(贡献率为44.2%)、屋面材料析出物与交通污染(贡献率为55.8%);路面径流DOM污染源包括交通活动污染(贡献率为39.8%)、大气沉降与土壤侵蚀污染(贡献率为22.4%)、生活污染(贡献率为37.8%)。研究显示,西安市各功能区不同下垫面DOM存在明显的结构性及来源差异,研究成果可为从源头控制城市水环境污染问题提供科学依据。

水溶有机质难萃取组分组成分析

为表征水溶有机质(dissolved organic matter,DOM)在传统固相萃取(solid phase extraction,SPE)中难萃取组分的分子组成,采用轻度催化加氢的方法对一河流支流水样的原水、SPE洗脱液和萃余液DOM进行加氢脱氧反应,在保留分子主体碳骨架不发生破坏的前提下降低化合物极性。应用气相色谱质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)和负离子电喷雾电离源(electrospray ionization,ESI)结合静电场轨道离子阱质谱(Orbitrap mass spectrometry,Orbitrap MS)分析产物分子结构和组成。结果表明,SPE难萃取组分的分子组成与洗脱液相比具有明显差异。SPE洗脱液主要富集中等极性化合物,而残留在萃取柱上未被有效洗脱的主要是游离态正构烷烃和烷基环己烷、烷基苯等非极性和弱极性化合物,SPE萃余液组分主要包括结合态酯类和包含氮杂环、多环芳香族碳骨架的强极性化合物。

猪粪源溶解性有机质对锰矿区耕地土壤中镉迁移的影响

镉(Cd)是迁移潜力最大的重金属元素之一。土壤中Cd迁移过程及影响因素的研究对于土-水生态系统中Cd的环境风险评估及修复治理有重要意义。为探求外源富碳有机质对金属矿区污染耕地土壤中Cd迁移的影响,开展原状土柱淋洗试验,考察猪粪源溶解性有机质(DOM)的引入(232 mg/L)对胶体结合态Cd(C-Cd)和水溶态Cd(D-Cd)迁移过程的差异及影响机制。结果表明:①猪粪DOM引入前,土壤胶体是Cd迁移的主要载体,胶体浓度是影响总镉(T-Cd)和C-Cd浓度动态变化的主要因素;猪粪DOM引入后,原状土柱淋洗过程中T-Cd和C-Cd的迁移量分别是对照阶段的1.8倍和2.2倍,pH成为影响Cd迁移的关键因素。②猪粪DOM的引入主要通过提升溶液pH,促进土壤胶体的迁移(迁移量较对照阶段增加了68.4%)进而增加C-Cd的迁移量(较对照阶段增加了124.4%)。同时,pH的增加也抑制了Cd^(2+)的解吸,导致D-Cd迁移量较对照阶段减少了41.2%。③猪粪DOM引入后的淋洗过程中,DOM通过提升土壤胶体Cd富集系数(由32.6mg/kg增至43.4mg/kg),进一步提升了土壤胶体对Cd迁移的支配作用,T-Cd中C-Cd的占比高达90.1%。因此,在农用地Cd污染土壤或场地污染土壤修复过程中涉及外源富碳有机质(如畜禽粪便、城市污泥、堆肥/生物质炭)应用时,应重点关注外源DOM促进胶体结合态Cd迁移进入浅层地下水的环境风险。

施用鸡粪对小麦秸秆养分释放及土壤溶解有机质演化的影响

秸秆还田配施畜禽粪便是一种重要的固体废弃物综合利用资源化技术。外源有机物还田主要以溶解性有机质(DOM)浸入土壤,探讨DOM的演变特征可有效预测秸秆还田土壤不稳定碳库的周转情况。由于禽畜粪便浸入土壤的DOM生物可利用性高于秸秆,两种方法结合后土壤DOM的演化规律尚不清楚。针对华北平原冬小麦夏玉米连作特点,在玉米生育期进行了田间定位试验,设置小麦秸秆还田、小麦秸秆还田配施鸡粪、鸡粪还田和不施肥4个处理。采用三维荧光光谱结合平行因子分析方法,阐明小麦秸秆还田过程中DOM的含量和组成的演变特征,并探究DOM组成演化对秸秆腐解的影响。结果表明添加鸡粪后秸秆失重率、碳氮释放率、土壤微生物碳和微生物氮分别显著提高了4.25%、5.56%、1.56%、12.44%和56.98%,土壤DOM腐殖质化指数显著升高11.97%。变差分解分析表明,类腐殖质和类蛋白质组分的联合作用对微生物碳氮具有正向影响;腐殖质类物质和蛋白质类物质的联合作用,以及微生物对秸秆碳释放均存在正向影响;类腐殖质和土壤微生物碳(MBC)对秸秆氮释放有正向影响。添加鸡粪强化了秸秆还田的效果,可以通过增加土壤微生物量和加速对不稳定的碳库的加工从而加快土壤养分周转并且有效地控制秸秆滞留的环境风险。研究结果有助于提高对外源有机物还田土壤不稳定碳库周转的理解,为利用鸡粪强化小麦秸秆还田效果奠定理论和数据基础。

旱季污水处理厂污水中溶解性有机质特征及其与氮素关系

针对市政污水处理厂污水中溶解性有机质(DOM)变化及其与氮素可能存在的相互影响关系,采用三维荧光光谱结合平行因子分析以及相关性分析,以西南某市旱季市政污水处理厂为研究对象,探究DOM荧光组分随工艺单元的变化规律及其与氮素转化的相关性。结果表明:1)市政污水处理厂水体DOM主要由4个荧光组分组成,即类蛋白质组分C1(类酪氨酸)、C2(类色氨酸)和类腐殖质组分C3、C4。污水处理厂进水以类蛋白质组分为主,该组分占总荧光强度比例的平均值为66.5%,其中C1含量较高,其荧光强度占类蛋白质组分比例的平均值为54.6%。最终出水则以类腐殖质组分为主,该组分占总荧光强度比例的平均值为71.7%,而出水的类蛋白质组分中C2含量较高,其荧光强度占类蛋白质组分比例的平均值为99.8%。2)随处理工艺流程的进行,DOM的荧光强度基本呈现逐渐降低的趋势,尤其是C1在工艺流程中荧光强度逐渐趋于0;而类腐殖质组分相对稳定,不随处理流程的进行而变化。3)污水处理厂生物处理单元之后DOM的荧光指数(FI)均大于1.9,表明DOM以转化为自生源为主。4)污水处理厂工艺流程中NH_(4)^(+)-N和溶解性总氮(DTN)与C1组分和腐殖化指数(HIX)之间有良好的相关性,采用多元回归方式可有效预测工艺流程中NH_(4)^(+)-N和DTN的浓度。建议污水处理厂可根据DOM光谱性质与氮素(NH_(4)^(+)-N和DTN)之间的大量数据建立普适模型,对尾水的排放和受纳水体中氮的变化趋势进行预测。

土壤中水溶性有机质及其对重金属化学与生物行为的影响

土壤水溶性有机质是陆地生态系统和水生生态系统中一种重要的、很活跃的化学组分 ,已成为环境科学、土壤学和生态学等学科的研究热点 .土壤DOM对重金属化学与生物行为有重要影响 ,但其机理尚不清楚 .文中从土壤性质、环境条件、人为因素等方面阐述了土壤DOM产生及影响因素 ,总结评述了DOM对重金属化学行为和生物有效性的影响 ,将DOM对重金属的影响机制归纳为络合机制、竞争吸附机制、酸碱缓冲机制 .在此基础上 。

废弃物中水溶性有机质对土壤吸附Cd的影响及其机制

通过等温吸附试验研究了 5种来自不同固体废弃物的水溶性有机质 (DOM)对土壤中Cd吸附行为的影响 .研究结果表明 :DOM对土壤中Cd吸附行为的影响与土壤类型和DOM种类有关 ,其影响机理主要是DOM的酸碱缓冲作用和络合作用 .酸性土壤中 ,猪粪DOM对Cd吸附的促进作用最强 ,而脱水污泥、堆腐污泥、消化污泥、小麦秸杆DOM的促进作用较弱 ,且差异不大 ;中性土壤中 ,各种DOM均抑制Cd的吸附 ,抑制效果由大到小顺序为 :堆腐污泥DOM >消化污泥DOM≈小麦秸杆DOM >脱水污泥DOM >猪粪DOM ;碱性土壤中 ,5种DOM同样表现为对Cd吸附的抑制作用 ,抑制效果由大到小顺序为 :堆腐污泥DOM >消化污泥DOM >脱水污泥DOM≈猪粪DOM >

陆地生态系统中水溶性有机质的环境效应

目前水溶性有机质 ( Dissolved Organic Matter)已逐步成为陆地生态系统中的一个研究热点。系统地评述了陆地生态系统中 DOM的组成特点及其环境效应。尽管关于陆地生态系统中 DOM的研究还不完善 ,至今对其性质、组成和分类方法等问题看法不一 ,但现有结果已经表明 DOM是一种十分活跃的重要化学组分 ,它对陆地生态系统中污染物质的溶解、吸附、解吸、吸收、迁移和生物毒性、微生物活动以及土壤形成过程等均有显著的影响。影响 DOM在陆地生态系统中的环境效应的主要因素包括 :DOM与污染物的络合作用、污染物溶解 /沉淀作用、土壤对 DOM的吸附作用、土壤质地、酸碱缓冲作用等。

水溶性有机质对土壤中镉吸附行为的影响

水溶性有机质 (DOM)是陆地生态系统和水生生态系统中的一种很活跃的组分 .本文以赤红壤、水稻土和褐土作为供试土壤 ,研究了来源于稻秆和底泥的DOM对土壤中Cd吸附行为的影响 .DOM对土壤中Cd的吸附行为具有明显的抑制作用 .这种抑制作用与土壤类型和DOM种类有关 .在 3种供试土壤中 ,无论添加稻秆DOM还是底泥DOM ,都会使Cd的最大吸附容量和吸附率明显降低 ,其下降幅度为17 3%～ 93 9%.在添加同一种DOM的前提下 ,DOM对Cd吸附的抑制作用均为 :赤红壤 >水稻土 >褐土 .如果不添加DOM ,则土壤对Cd的最大吸附容量主要取决于土壤固相的吸附特性 ,添加DOM后土壤对Cd的最大吸附容量则主要取决于液相中的DOM .由此推断 ,传统的看法 ,通过施用有机肥来固定土壤中的Cd并达到治理重金属污染土壤的观点值得商榷 .

水溶性有机质对土壤吸附菲的影响

研究了来源于稻草腐熟物的外源水溶性有机质(DOM)和土壤本身固有的内源DOM对有机碳含量不同的3种土壤吸附菲的影响.结果表明,不同处理土壤对菲的吸附曲线均为线性,其吸附系数(Kd)与土壤有机碳含量(foc)正相关.去除内源DOM后,黄棕壤、红粘田和黑土吸附菲的Kd值增加了7.08%～21.4%,增加量(ΔKd)和增加幅度与foc正相关,表明土壤中存在的内源DOM抑制土壤对菲的吸附.而外源DOM对土壤吸附菲的影响与其浓度密切相关.在供试浓度范围(0～106mgDOC.L-1)内,红粘田吸附菲的Kd值随加入外源DOM浓度的提高先增大后减小.外源DOM浓度为28mgDOC.L-1时,红粘田吸附菲的Kd值增加了19.5%;而当外源DOM浓度≥52mgDOC.L-1时,则明显抑制菲的吸附.内源和外源DOM对土壤吸附菲的影响,主要与DOM和菲在溶液中的结合作用、在土壤中的累积吸附效应等有关.

湖泊沉积物中水溶性有机质对吸附磷的影响

以分别属于不同营养水平的五里湖和东太湖沉积物为研究对象,通过吸附试验,研究了水溶性有机质(DOM)对沉积物吸附磷酸盐等温线和动力学曲线的影响。结果表明:(1)DOM没有改变沉积物吸附磷动力学曲线的基本趋势,在前10 h内,沉积物对磷的吸附具有较大速度,20 h后基本达到吸附平衡;DOM提高了沉积物吸附磷的速度,特别是提高了0-0.5 h内的吸附速度,其中东太湖沉积物由82.34 mg kg-1h-1增加到97.18 mg kg-1 h-1,五里湖沉积物由12.21 mg kg-1h-1增加到59.17 mg kg-1h-1;(2)DOM明显改变了沉积物吸附磷等温线,对沉积物吸附磷具有促进作用,提高了沉积物吸附磷的效率,其中东太湖沉积物,DOM使其对磷的吸附效率由123.3 L kg-1增加到164.8 L kg-1,五里湖沉积物,DOM使其对磷的吸附效率由94.56 L kg-1增加到206.3 L kg-1;(3)DOM对有机质含量较高、严重污染的五里湖沉积物吸附磷的影响大于对有机质含量较低、中营养水平的东太湖沉积物的影响。

水溶性有机质对茶园土壤氟形态的影响

采用元素分析与傅里叶变换红外光谱相结合的方法分析了腐熟鸡粪中水溶性有机质(dissolved organicmatter,DOM)的结构及组成,通过溶液连续提取-电位分析法分析茶园土壤中氟的形态及含量。结果表明,腐熟鸡粪DOM中C、O、H和N元素含量占元素总量的93%,其中C和O的含量大于H和N,C/H和C/N较大,C、H饱和度低,含有较多羧基、醛基、酮基等不饱和度高的物质。水溶态和有效态氟含量随外源DOM添加量的增加而降低,呈负相关关系;而土壤铁锰结合态氟、有机结合态氟含量则随外源DOM添加量的增加而升高,呈正相关关系。外源DOM的加入可降低茶园土壤水溶态和有效态氟含量,提高了铁锰结合态氟、有机结合态氟含量,降低氟的生物可利用性。

应用光谱分析技术研究土壤水溶性有机质的分组及其结构特征

本研究以Leenheer的分组方法为基础 ,采用XAD 8树脂分组水稻土水溶性有机质 (DOM ) ,并通过元素组成、1H NMR和FTIR详细研究了疏水酸性 (HOA)、酸不溶 (AIM )、疏水中性 (HON)和亲水性 (HIM)等组分的结构特征。土壤DOM组成中HOB含量最少 ,HON含量为 7%～ 15 % ,HIM是土壤DOM中最大组成部分 ,达 35 %以上 ,HOA与AIM之和为 5 0 %左右。元素分析、FTIR及1H NMR分析结果表明DOM各组分结构特征差异显著 ,HON以含有大量的长链烷烃为主要结构特征 ,并含有较多氨基酸、多肽等含氮类物质。HOA类似于土壤富里酸 (FA) ,含有大量羧基 ,但与FA相比芳香族物质减少 ,碳水化合物增多。AIM以多酚类、腐殖质结合的碳水化合物为主要组成物质。

水溶性有机质对Cd和Zn在土壤表面竞争吸附的影响

采用平衡吸附法,研究了水溶性有机质(DOM)对Cd和Zn在一种碱性土壤表面竞争吸附的影响。结果表明:稻草DOM、污泥DOM、菜叶DOM的存在使Cd和Zn在二元重金属共存体系中的吸附量均降低,其中稻草DOM对重金属吸附的抑制率最高,污泥DOM次之,菜叶DOM的抑制强度最弱,且3种DOM对Zn吸附的抑制均强于对Cd吸附的抑制,进而减弱了Cd与Zn之间竞争吸附的强度。相对于20℃而言,稻草DOM在30℃和40℃时加剧了Zn和Cd在土壤表面竞争吸附的强度。研究结果有助于对多种重金属复合污染土壤的合理评价和有效治理。

土壤中水溶性有机质的结构特征及环境意义

采用元素分析,1H—NMR和FTIR研究了3种水稻土中水溶性有机质(DOM)的组成及结构特征,并与富里酸(FA)、胡敏酸(HA)进行了比较。结果表明,DOM主要由碳水化合物组成,芳香族物质少,烷基链烃含量少且支链短,分子结构简单;HA含有大量的芳香族不饱和物质,烷基链烃含量多且支链长;FA含有大量的羧基官能团。3种土壤HA的结构组成相似,而DOM则变化较大,即桑园土壤DOM碳水化合物含量相对较多;水杉土壤DOM烷烃物质和芳香族不饱和物质较多,而碳水化合物相对少;水田土壤DOM介于两者之间。

模拟酸雨对红壤中铝和水溶性有机质溶出及重金属活动性的影响

在模拟酸雨作用下 ,研究了重金属污染和未污染的酸性红壤和黄红壤中铝和水溶性有机质的溶出以及对重金属活动性的影响。结果表明 ,随模拟酸雨pH值下降 ,土壤pH值和盐基饱和度明显降低 ,而交换性酸度明显增加 ,污染土壤中交换性氢含量比未污染土壤高 ,而交换性铝含量比未污染土壤低。铝溶出量与模拟酸雨pH值密切相关 ,当模拟酸雨pH值在 5 .60～ 3.5 0时 ,供试红壤浸出液中铝浓度几乎在同一水平 ;当pH≥ 4 .5 0时 ,供试黄红壤中溶出铝亦未明显变化 ;当模拟酸雨pH =3.5 0时 ,未污染黄红壤中铝溶出明显增多 ;当pH =3.0 0时 ,供试土壤中铝溶出量急剧增加。随模拟酸雨pH值下降 ,污染土壤中铝溶出比未污染土壤低 ,而有效态重金属活动性明显增加 ;污染土壤中水溶性有机质比未污染土壤溶出明显增加 ,水溶性有机质 -重金属络合体促进了重金属的溶解迁移行为。