由太阳光引发的光化学反应是水中难生物降解新污染物的重要自然转化过程，其包括直接光降解和间接光降解过程。当化合物能够吸收太阳光时可发生直接光降解过程，反之，化合物将发生间接光降解过程。化合物通过与羟基自由基（•OH）、碳酸根自由基（CO3•−）、单线态氧（1O2）和三线态溶解有机质（3CDOM*）等光致活性中间体（PPRIs）反应而发生降解的过程被称为间接光降解过程，该过程会受到包括水体深度、溶解性有机碳（DOC）、无机离子、纬度和季节等多种环境参数的影响。PPRIs主要通过光敏化剂（如：NO2−、NO3−和3CDOM*）吸收太阳光后生成，而生成的PPRIs也会与水中的溶解性有机质、无机离子、溶解氧和水分子发生淬灭反应。PPRIs的稳态浓度取决于其生成速率与淬灭速率的差值，水中PPRIs的稳态浓度一般处于10−18～10−14 M范围内，常见的PPRIs稳态浓度排序一般为：•OH < 3CDOM* ≈ 1O2 < CO3•−。
为实现精确模拟水中化合物的光化学反应动力学，研究人员已开发出多个模型和软件包。考虑太阳光谱、光敏化剂和污染物吸收光谱的性质，这些模型和软件包通常基于多波长计算。最近，一种基于等效单色波长的单色近似方法被提出，该方法通过单一波长近似多色系统，大大简化光化学反应动力学预测计算。同时，研究人员开发了用于评估全球太阳辐照度及其季节变化（尤其在60° S至60° N纬度范围）的方法以扩宽该预测模型适用的地理范围。尽管目前还没有一个完整的全球水化学参数数据库，但已有全球湖泊水环境中DOC和深度的估计值，这些数据是湖泊光化学反应动力学研究中的重要参数。
本研究在全球范围内对两种具有不同主要光化学转化途径的新污染物：氯贝丁酸（CLO，以3CDOM*反应为主）和双氯芬酸（DIC，直接光解及3CDOM*反应）进行比较分析，对比了直接光解和3CDOM*诱导反应的地理差异。研究结果将揭示这些过程的全球重要性、不同地区水中光化学的主要反应以及新污染物的寿命。这些信息对于评估淡水光化学净化潜力至关重要，有助于识别最易受污染影响的环境，从而为淡水管理提供关键工具。
图1 春分时节3CDOM*稳态浓度的全球分布图
意大利都灵大学Davide Vione教授团队在Eco-Environment & Health期刊上发表题为“Global modeling of photochemical reactions in lake water: A comparison between triplet sensitization and direct photolysis”的研究论文。
作者首先通过综合分析Toming等人的全球湖泊DOC数据和HydroLAKES v.1.0数据库，严格筛选出72,380个湖泊作为全球光化学模型的样本。筛选标准包括纬度（排除60°N以北地区）、水深（至少5米）和海拔（不超过500米），以确保样本集可准确反映不同环境下的光化学活性。该样本集为全球范围内湖泊环境中的光化学反应预测和比较提供坚实数据基础，并有助于评估光化学过程对水质的潜在影响。
在此基础上，作者采用基于EMW近似的计算方法，综合考虑湖水深度、太阳辐照度和DOC浓度等因素，评估出72,380个湖泊中3CDOM*的稳态浓度，随后计算得到CLO和DIC通过3CDOM*降解的速率，以及DIC直接光解的速率系数k′DIC,d.p.。CLO的表观一级速率k′CLO的计算中考虑了CLO和3CDOM*的二级反应速率常数、3CDOM*稳态浓度、日照时间和DOM抗氧化基团的抑制作用；DIC的间接光降解速率k′DIC,3CDOM*和直接光解速率k′DIC,d.p.也考虑相关的化学和环境参数，包括光子通量、光子效率和湖水深度。这些计算结果有助于揭示不同环境条件下污染物的光化学转化过程。
最后，作者将基于EMW近似的单色光化学评估与多波长计算结果进行比较，发现两者在不同DOC值和水深条件下表现出高度一致性，从而验证EMW近似的准确性。借助QGIS软件，作者对全球湖泊的关键光化学参数（如3CDOM*浓度、CLO及DIC的光化学半衰期）进行地理空间映射，以颜色标记展示出光化学活性在全球湖泊中的分布情况。
图2. (a)计算得到的3CDOM*在不同DOC浓度和水深深度条件下的稳态浓度
(b)计算得到的在不同DOC浓度和水深深度条件下的kDIC
作者对全球范围内3CDOM*稳态浓度以及CLO和DIC光化学半衰期的分布情况进行分析与探讨。通过EMW近似计算，模拟出全球3CDOM*稳态浓度的分布结果。北欧地区由于其高DOC值，即使远离赤道，也表现出较高的3CDOM*稳态浓度。CLO的光降解半衰期与3CDOM*稳态浓度的分布相似，在高DOC值的湖泊中，CLO的光降解更为显著。然而，CLO的光降解还受到湖水深度和DOM抗氧化基团抑制作用的影响。相比之下，DIC的光降解主要由直接光解主导，因此在赤道附近阳光充足的地区，DIC的光降解速率更快。此外，CLO和DIC的光降解速率通常高于湖水的水力停留时间，这表明全球湖泊中的光降解在减少这些污染物方面发挥重要作用。
此外，作者还对不同季节和纬度条件下废水稳定化池塘（WSPs）中CLO和DIC的光化学去除潜力进行系统评估。WSPs是一种利用植物、微生物和阳光去除废水中营养物、金属、病原体、细菌及有机污染物的处理系统。作者假设典型的DOC值和水深，计算出3CDOM*稳态浓度及CLO和DIC的光降解速率常数。结果显示，在夏季，尤其是在赤道附近地区，WSPs中CLO和DIC的光降解速率最高；而在冬季的高纬度地区，光降解速率显著降低。在晴朗天气下，春季和秋季的WSPs对CLO和DIC的去除效果也较好。这表明WSPs在晴朗天气条件下能够有效去除易光降解的污染物，是一种高效且成本较低的处理策略。
图3. (a) CLO和(b) DIC的半衰期全球分布图
本研究强调EMW近似方法在全球尺度上预测3CDOM*反应和直接光解过程的有效性，特别是在评估新兴污染物CLO和DIC的光化学行为方面。研究表明，3CDOM*介导的光化学反应强烈依赖于DOC的浓度，而直接光解过程则主要受阳光辐照度的影响。在全球大多数湖泊中，光降解速率超过水力停留时间，表明光化学转化在减少污染物方面发挥着关键作用。此外，研究还发现，在晴朗条件下，WSPs对CLO和DIC具有显著的光化学去除潜力。
尽管如此，作者也指出模型的局限性。由于缺乏全球范围内某些关键参数（如硝酸盐、亚硝酸盐、pH值和无机碳）的数据，无法模拟涉及•OH或CO3•−的反应。此外，模型假设水体为均匀混合，未考虑分层湖泊的热分层效应，也缺少全球湖泊浑浊度的数据，可能影响模型的准确性。强调应该获取更多数据以提高模型准确性和预测能力。
该论文第一作者为意大利都灵大学化学院研究员Luca Carena；通讯作者为都灵大学化学院Davide Vione教授。
Luca Carena, Ángela García-Gil, Javier Marugán, Davide Vione*. Global modeling of photochemical reactions in lake water: A comparison between triplet sensitization and direct photolysis, Eco-Environment & Health (Eco-Environ. Health), 2024.
https://doi.org/10.1016/j.eehl.2024.09.001
Davide Vione，意大利都灵大学化学系教授。研究领域涉及环境化学，特别是水和废水处理中应用的高级氧化过程。研究工作包括对表面水和大气中的光化学过程的研究，以及对水中持久性污染物的光解过程的研究。研究成果在多个科学期刊上发表。
撰文：连璐诗（华东师范大学）
审校：刘玉灿（烟台大学）
推送：王玥玮（清华大学）
