有机化学溶解度大小怎么判断(“溶解性有机质”有哪些不为人知的秘密？)

Posted 2023-05-29

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有机化学溶解度大小怎么判断(“溶解性有机质”有哪些不为人知的秘密？)

图1 隐形的物质（图片来自网络）

一般我们看到河水清澈见底，都会觉得这里的水是”没有污染“的，但事实真是如此么？或许在水里，有一种看不到摸不着的物质已经悄悄地影响了水中的环境。这种物质，就是溶解性有机质。

溶解性有机质（Dissolved organic matter， DOM），是一类具有复杂组成、结构和环境行为的有机混合物，广义上的含义包括一切溶解于水中的有机化合物，通常指能通过0.45μm滤膜的溶解于水、酸或碱溶液中的异质碳氢混合物，由含氧、氮和硫的氨基酸、芳香族、脂肪族等功能团组成，广泛存在于各种天然水体中。

DOM参与各种地球化学循环

图2 溶解性有机物参与地球化学循环（图源自Earth\'s Critical Zone）

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（图2）。DOM被认为是陆地生态系统和水生生态系统中一种重要的活跃化学组分，是土壤圈层与相关圈层发生物质交换的重要形式。以产生的方式分为内生性和外生性，前者指自然界产生的DOM，其来源为动植物残体、土壤、藻类活动产生的排泄物；后者指人类化学合成产生的，人类工业化城镇化过程造成的大量DOM介入水生环境，严重威胁水生态系统健康和安全。剧烈的人类活动改变了DOM的来源、特性。

图3 中科院宁波观测研究站站长期观测采样（汪文东拍摄）

DOM作为环境中最为活跃的化学成分之一，对污染物（如重金属和有机污染物等）的环境行为和生物有效性均产生重要影响。近年来，DOM对污染物的环境行为的研究已成为生态学、土壤学和环境科学等学科的研究热点。土壤有机碳中DOM的占比极小，但它却是地表水和地下水中DOM的重要来源，充当了许多微量有机或无机污染物的主要迁移载体或助溶剂。

常规污染物与DOM的区别

水环境当中的常规污染物一般是指水污染常规分析指标，是对水质监测、评价、利用以及污染治理的主要依据。其主要指标有：臭味、水温、浑浊度、pH值、电导率、溶解性固体、悬浮性固体、总氮、总有机碳（TOC）溶解氧（DO）、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、细菌总数、大肠菌群、重金属和有机污染物等。

图4 人类活动造成的溶解性有机物排放（汪文东拍摄）

不同于常规污染物，DOM成分复杂，有不同结构且分子量大小不一，其中人类排放的DOM对环境影响最为显著（Williams et al.,2016）（图4）。DOM的表征技术丰富多样，其中光谱技术由于简单易操作成为较为常用的一种技术。根据光谱特性的不同可将DOM分为有色溶解性有机质（CDOM）和荧光溶解性有机质（FDOM）。而通过荧光激发-发射矩阵（Excitation-Emission Matrix，EEM）结合平行因子分析（PARAFAC）可对FDOM的荧光组分进行解析，其荧光特性指标可表明其荧光组分的来源。

相对于重金属和有机污染物等常规污染物，DOM的结构复杂，来源多样。目前的研究对DOM影响其他污染物的毒性方面已有大量的研究，但DOM其本身的毒理方面的研究才刚刚开始。现有的部分研究表明，DOM具有遗传毒性、雌激素效应，可抑制藻类生长，对细菌具有急性毒性等作用。

DOM的分布有哪些特性

DOM在流域生态系统中分布广泛。城郊生态系统是生态系统服务冲突最激烈的区域，DOM在城郊生态系统分布受到人类活动的影响。正在经历快速城镇化过程的宁波樟溪流域的观测结果显示，DOM的指标（DOC，CDOM和FDOM）浓度在不同人口密度区域中差异明显（图5）。季节数据相关分析表明，DOM的分布具有季节变化和区域分布的异质性，说明强烈的人类活动对DOM的区域分布具有决定作用。

图5 流域DOC、CDOM、FDOM浓度的季节变化（Tang et al.， 2020）

与人类活动有哪些关联

近年来，我国正经历着快速的城镇化过程，城镇化过程导致了水体中DOM 浓度与性质的改变。人类活动，如污水排放、土地覆盖和景观格局的改变、土地利用方式的转变等，都显著改变了DOM的浓度和特性。

樟溪城郊流域的观测结果表明，城镇化过程中的人类活动（包括农业活动等）造成了DOM荧光组分和特性的变化，其类蛋白类荧光组分与人类活动的强度密切相关。生态风险评估结果显示，接近自然生态系统的子流域区域风险较小，而在人类活动频繁干扰的区域（农田和城镇）则具有较大的生态风险。表明人类活动改变了水生态系统中DOM的含量和特性并对生态系统造成负面影响。因此，人类活动造成的DOM进入流域生态系统的生态风险需要进一步关注。

图6 溶解有机物生态风险图（a）雨季。（b）旱季（Tang et al.， 2020）

参考文献：

1. Podgorski, D.C., Zito, P., Mcguire, J.T., Martinovic-Weigelt, D., Spencer, R.G.M., 2018. Examining Natural Attenuation and Acute Toxicity of Petroleum-Derived Dissolved Organic Matter with Optical Spectroscopy. Environ. Sci. Technol. 52（11）, 6157-6166.

2. Tang, J.F., Wang, W.D., Yang, L., Qiu, Q.L.L., Cao, C.L., Li, X.H., 2020. Seasonal variation and ecological risk assessment of dissolved organic matter in a peri-urban critical zone observatory watershed. Sci. Total Environ. 707.

3. Williams, C.J., Frost, P.C., Morales‐Williams, A.M., Larson, J.H., Richardson, W.B., Chiandet, A.S., Xenopoulos, M.A., 2016. Human activities cause distinct dissolved organic matter composition across freshwater ecosystems. Global Change Biol. 22（2）, 613-626.

来源：中国科学院城市环境研究所