溶解性有机质有哪些不为人知的秘密?

作者: 唐剑锋

来源: 中国科学院城市环境研究所

发布日期: 2020-05-11 07:30:00

溶解性有机质(DOM)是一类复杂的有机混合物,广泛存在于各种天然水体中,对污染物环境行为和生物有效性产生重要影响。DOM的来源和特性受人类活动影响显著,其在流域生态系统中的分布具有季节和区域异质性。DOM的研究已成为生态学、土壤学和环境科学等学科的热点。

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,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。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。

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。

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。

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。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。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。

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。

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