WR|利用FT-ICR MS分析长江流域天然和人为源溶解性有机质特征

文摘   2024-10-26 08:14   北京  

文章信息

一作者:Cuiping Ning

通讯作者:耿柠波 副研究员

通讯单位:中国科学院大连化学物理研究所

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122636

亮点

• 利用傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)建立了溶解性有机质(DOM)识别流程。
• 9557DOM分子式中,初步鉴定出1099个化合物。
• 天然有机物和人为有机物分别占DOM85%15%
• 大多数鉴定的内源性和外源性有机物是脂类和药品和个人护理品(PPCPs)。

研究背景

DOM 来源于自然和人为两种途径。自然来源包括植物和动物残骸、藻类活动产生的排泄物等;人为来源包含土壤输入、污水排放等。其组成包含数千种有机化合物,如腐殖质、脂质、有机酸及其衍生物、糖类、蛋白质以及外源污染物等。以往研究通过紫外-可见光谱、激发-发射矩阵荧光光谱和稳定碳同位素分析等方法探索了DOM的宏观性质,识别出了多种芳香有机物、类蛋白质荧光成分和腐殖质样成分,但由于DOM成分极其复杂,在分子水平上全面分析它仍然是一个巨大挑战,几乎不可能分离出单个化合物。
超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)能够对DOM的分子结构进行更深入的解析,相较于其他传统分析方法具有更高的分辨率和准确性。已有多项研究利用FT-ICR MS对海洋、湖泊、河流等自然水体中的DOM进行了表征,确定了数千个DOM分子式。然而,目前通过FT-ICR MS分析仅确定了DOM的分子式和主要官能团,对于识别数千个分子仍然因为DOM在自然水体中的复杂和异质性而极具挑战性。
DOM的分子表征是研究其在自然水中环境行为的关键突破点。虽然已有一些相关研究,但目前仍然缺乏对自然和人为DOM的具体成分的探索,而这些成分会影响DOM的来源、分子组成和生物可利用性,进而可能改变生态系统功能和碳循环。
长江作为亚洲最大的河流,具有重要的经济、生态和科学价值。其从上游到下游,自然气候、人口密度和经济发展等都存在变化,这些变化会影响DOM的组成和转化。本研究旨在建立一种基于非靶向FT-ICR MS分析和内部数据库的新方法,对长江流域的DOM进行筛选和分子鉴定。通过该方法研究长江流域DOM的分子组成、空间分布和来源等特征,以填补现有研究在这方面的不足,为DOM的研究提供更全面和深入的了解,进一步阐明其在水生生态系统中的作用。

结果与讨论

1 DOM筛选和鉴定的工作流程

建立了包含超过15,000种有机化合物的内部数据库,其中38.2%为外源有机物,61.8%为内源有机物。

通过FT-ICR MS分析水样中的DOM,并与内部数据库进行比对,最终确定了9557个明确的分子式,并初步鉴定出1099DOM化合物。

2 DOM分子组成的一般特征

对长江流域水样中的DOM进行非靶向分析,确定了不同采样点DOM的分子式数量、分子量范围以及化学多样性等特征。

DOM的分子式根据元素组成和其他分类标准进行分类,分析了不同区域DOM的相对丰度以及分子类型的分布情况。

3 疑似DOM的鉴定

在长江流域水体中初步鉴定出1099种疑似的DOM化合物,其中85%为内源有机物,15%为外源有机物。

内源有机物主要包括脂质、苯丙烷类和聚酮类等,外源有机物主要包括药物、个人护理产品(PPCPs)和农药等。

4 自然和人为DOM的空间变化

从上游到下游,外源和内源有机物的鉴定数量呈明显增加趋势,其丰度在下游地区也显著高于上游和中游地区。

大量在DOM中很少或从未被鉴定出的脂质在长江流域被检测到,其在下游的相对丰度大幅增加。

研究结论

本研究开发的数据库和工作流程克服了DOM成分复杂和缺乏参考标准的挑战,实现了DOM的分子鉴定。

首次揭示了长江流域DOM的天然和人为源分布情况,表明人为排放显著增加了DOM中外源和内源有机物的数量和丰度。
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