溶解性有机物的特征及对环境污染物的影响

第40卷第3期2012年2月广州化工

GuangzhouChemicalIndustryVol．40No．3February．2012

溶解性有机物的特征及对环境污染物的影响

11，22

贾陈忠，孔淑琼，张彩香

*

（1长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434025；

2中国地质大学生物地质与环境地质国家实验室，湖北武汉430074）

摘

要：溶解性有机物是由成分复杂的非均质混合物组成，在环境中分布广泛，具有较高的稳定性和生物难降解性，对有机物

污染物和重金属在环境中的迁移转化、生物有效性和毒性等有重要影响，而且在水处理过程中可能转化成有毒副产物。本文综述了

溶解性有机物的结构特征以及对环境污染物的影响。

关键词：溶解性有机物；结构特征；环境污染物中图分类号：X131．2文献标识码：A

文章编号：1001－9677（2012）03－0098－03

StructuralCharacteristicsofDissolvedOrganicMatterandtheInfluence

onEnvironmentalPollutants*

2

JIAChen－zhong1，KONGShu－qiong1，，ZHANGCai－xiang2

（1CollegeofChemicalandEnvironmentalEngineering，YangtzeUniversity，HubeiJingzhou434023；2StateKeyLabofBiogeologyandEnvironmentalGeology，ChinaUniversityofGeosciences，HubeiWuhan430074，China）

Abstract：Dissolvedorganicmatter（DOM），beingubiquitousintheenvironment，hadvariouspropertiesrelatedtoitsorigin，highlystableandmicrobiallyrefractoryproperties．DOMnotonlyplayedanimportantroleininfluencingmicro-bialactivity，degradation，transportandtransformation，toxicityandbioavailabilityoftracemetalsandorganicpollutants，butalsocanbepotentiallyconvertedtotoxicbyproductsduringtreatmentprocess．Thestructuralcharacteristicsofdis-solvedorganicmatterandtheimpactofenvironmentalpollutantswerereviewed．

Keywords：dissolvedorganicmatter；structuralcharacteristics；environmentalpollutants

DOM）是广泛存在于溶解性有机物（dissolvedorganicmatter，

土壤、沉积物、地表水体和海洋以及其他天然水体中的一类结构

性质稳定的有机高分子混合物，颜色一般呈黄色或浅棕复杂、

色。DOM的来源、组成和结构十分复杂，分子量分布广泛，一般

［1］

可以从几百到上百万。DOM在地球生态环境的物质循环中处于主导地位，同时对环境污染物的存在形态、生物有效性、毒性及迁移转化规律等有重要影响

物。通常认为DOM是动植物及微生物残体（如木质素或纤维素）在天然环境中经酶分解、氧化及微生物合成等反应过程逐步

［4］

演化而成，其确切的形成机理，目前尚存在争议；Leenheer等认为DOM是一种带有多种官能团的芳香族和脂肪族碳氢化合物的混合物。DOM的含量一般用溶解性有机碳（dissolvedorgan-DOC）表示。iccarbon，

1．2溶解性有机物的结构特征

1

1．1

溶解性有机物的特征

溶解性有机物的含义

在水环境中，有机物一般以溶解态、颗粒态和可挥发态三种

［2］

形式存在。溶解性有机物通常是指能够通过0．45μm的滤膜，且在后续分析过程中不因挥发而损失的有机物，它包括了过滤中没有被阻截的部分胶体颗粒；其余保留在滤膜上的有机物

“颗粒态有机物”（particulateorganicmatter，POM），称为约占有机物总量的10%以下；可挥发性有机物是指高蒸汽压、低分子量和低水溶性的有机物，也大约只有不到10%，其余80%～90%为

［3］

DOM。在自然水体中，DOM主要是动植物在自然循环过程中

是一种复杂的非均质混合经腐烂分解所产生的大分子有机物，

*

DOM主要含有C、O、H、N、P、S以及灰分。按元素组成来分，

C占总DOM的50%以上，按重量计算，其次是O（≈40%）、

H（≈5%）、N（0．5%～6．5%）、P（＜1．0%）、S（＜1．0%）和灰分

［5］

（1．2%～5．0%）。

一般认为，腐殖质是DOM的主要组成，占有机物总量的50%～80%。其余组分主要是亲水性有机酸、蛋白质和多糖。根据腐殖质在酸碱中溶解性的不同，可以划分为胡敏素、腐殖酸

不属于和富里酸。其中在任何pH下都不溶于水的胡敏素，

DOM的范围；通常讨论的DOM主要指腐殖酸和富里酸；其余的

氨基酸、叶绿素、藻类分泌非腐殖类物质主要包括碳水化合物、

物、酚酮类化合物、脂肪酸和亲水性有机酸等。水环境中腐殖质具有苯环羧基和酚基官能团构成的聚苯环和某些基于氮和硫原子的基团或键，所含官能团主要有羧基、醇羟基、酚羟基、醌型羰

基金项目：中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室开放项目（No：BGEGF200820）和长江大学博士启动基金。

通讯作者：贾陈忠（1971－），男，博士，副教授，主要研究方向为有机污染化学。

［6］

基和酮型羰基等，其中羧基约占总酸性基团的60%～90%。DOM大多数的物理化学性质是胶体性质的表现，而不是由单体的结构性质所决定。

2溶解性有机物的环境地球化学作用

DOM是水体中有机碳的一个大的储存库，是地球水圈中有

对全球碳循环具有重要机碳的主要载体和生物体的主要底物，

DOM在控制水生生态系统的物理、化学及生物学的贡献。同时，

对水环境体系的pH、碱度及电荷平性质方面起着重要的作用，

衡等有重要影响，与水中许多元素的迁移转化具有密切联［6－7］

。因此，DOM对海洋、系湖泊、河流和水库中许多生物地球

DOM还能与一些营养元素化学过程有十分重要的影响。另外，

P和S等结合，DOM的水动力条件会影响这些营养元素的如N、

［7］

迁移转化和生物有效性。在陆地生态系统中，由于DOM具有

同时又具有水溶性的特点，因此比固相有机质更多的活性点位，

［8］

被认为是陆地生态系统中一种重要和活跃的化学组分。在自

DOM不仅是一些土壤微生物的主要碳源，然环境中，而且还是风

［5］

化和成土过程的重要影响因素。

DOM对有机污染物环境行为的影响，一般认为主要与腐殖

DOM对有机污染物影响的机理研究大多酸类物质有关。因此，

借鉴腐殖酸研究的结果。有研究者曾经用分配理论来解释土壤DOM对有机污染环境行为的影响［19］，但是某些有机污染物受DOM的影响与分配理论并不相附，因此有学者提出DOM上一些

［14］

特殊官能团与有机污染物的结合是其主要作用方式的假设。目前DOM对有机污染物环境行为的影响机制以及DOM与有机

［20］

污染物的结合方式及机理还不十分清楚。

3．2DOM对金属离子的作用

3溶解性有机物对环境污染物的影响

DOM含有羧基、胺基、酚羟基、氨基和烷氧基等活性官能团，

Cu、Ni、Fe、Mn、Cd等）和多种疏水性能结合许多金属离子（Hg、

有机污染物（多环芳烃、多氯联苯、杀虫剂、除草剂等），是许多微量和痕量污染物的主要载体，能促进许多污染物从土壤、固体废

［9］

物以及污水中向地表水体或地下水体迁移。由于DOM结构

其结合污染物的机理目前还不是很清楚，因的多样性和复杂性，

DOM能通此很难预测和描述DOM对环境污染物的影响。另外，

过络合和鳌合作用富集水体中污染物，表现为增强污染物在水体中的溶解度，降低挥发度，增加光解速率以及改变生物有效性

对环境污染物的形态、迁移转化、毒性及生物效应等有重要等，［10］

影响。

3．1DOM对有机污染物的影响

DOM能与某些环境有机污染物结合形成大分子或极性很强的分子，使其难以进入生物体的细胞膜被生物体所吸收。因此，DOM的存在通常降低了环境污染物的生物可利用率和毒性［10］。

DOM对有机污染物有增溶作用；一般来说，其次，有机污染物的

DOM对它们的增溶作用越明显。另外，疏水性越强，在土壤中

DOM对有机污染物有较高的亲合力，一般大于土壤对有机污染物的亲合力。目前，有关腐殖质的化学结构性质与结合有机污

［11］［12］

张彩香等研究了垃圾渗染物能力关系的研究很多。例如，

滤液中的DOM对内分泌干扰物（EEDs）的吸附作用，并通过FTIR、HNMR和ESR等技术，分析了DOM与EEDs的吸附机理。

天然DOM与氯苯、烷基酚和PCBs等疏水性有机污染物的结合，不仅影响其在水中的分配作用，而且可以影响其生物富集

［13］［14］

Hassett等就曾指出水体中有机质的系数。早在1985年，

分子量影响PCBs的吸附，当有机质的分子量超过50kDa时，Koc会显著提高。1986年，Chiou等［15］发现腐殖酸能促进疏水性

Nelson等［16］的杀虫剂阿特拉津在土壤中的解吸作用。1998年，

研究表明污泥中的DOM可以与农药结合，显著促进草萘胺等农

［17］

Marschner报道了土壤溶液中的药在环境中的迁移。1999年，

DOM可以影响PAH和PCBs在土壤表面的吸附，DOM对有机污

［18］

染物的影响与DOM的组分有密切关系。Pedersen等发现，分子量大于10kDa和小于1kDa的DOM对TeCB的分配系数影响最大。

DOM积极参与生物地球化学循环和环境作用，对重金属在

［21］

土壤中的吸附、迁移转化等环境行为会产生重要影响。DOM含有大量的络合和螯合基团，可以与土壤、固体废弃物和各种水体中的重金属通过络合或螯合作用，形成有机－金属配合物。DOM在环境中能以可溶的络合剂形式存在，通过与水体、土壤和沉积物中的金属离子、氧化物、矿物和有机物之间的离子交换、吸附、络合、螯合、絮凝、氧化还原等一系列反应，改变重金属的生物可利用性和毒性、迁移转化规律与最终归宿。DOM对土壤重金属有很强的解吸作用，在含水多孔介质和地下含水层中，DOM对重金属的淋溶促进作用尤其明显，可能加剧重金属的毒

［22］

害作用及其在环境中的迁移扩散。

DOM对环境中重金属的影响有多种形式，最常见的方式是通过与液相金属离子竞争吸附点位或优先吸附在固体表面上，减少了重金属的吸附点位，从而降低环境中颗粒物对金属离子

DOM可以作为土壤与金属之间的络合桥梁的吸附作用。另外，

增强固体表面的亲和力，从而增强对金属离子的吸附作用。DOM也可以与重金属离子直接形成络合物，抑制颗粒物对重金

［23］

属的吸附作用，提高重金属的迁移能力。水体中DOM的含

［24］

庞会从等研究量与金属离子的浓度有一定相关性。2010年，

Cd、Pb和Zn等4种重金属在土壤中了垃圾渗滤液中DOM对Cu、

吸附行为的影响，表明DOM对Cu和Cd在土壤中的吸附有明显促进作用，对Pb有微弱的促进作用，对Zn的吸附影响不明显。

DOM对重金属沉淀的溶解作用是抑制重金属吸附的重要机

从而影响水环境中沉淀颗制。DOM可以与重金属形成螯合物，

絮凝、凝结和溶解等表面反应，提高重金属在水体或粒的生长、

［25］［26］

土壤中的溶解度。2006年，付美云等采用土柱淋滤试验研究了垃圾渗滤液DOM在土壤中垂直迁移及对土壤重金属Pb淋滤溶出的影响，表明进入土壤环境的渗滤液DOM对重金属的迁移有促进作用。

4

4．1

溶解性有机物的分离及表征技术

溶解性有机物的分离技术

DOM组分的复杂性和非均质性导致了其研究的困难性。为了更好地表征DOM的结构特征，需要先分离和浓集DOM不同

可以通过比较各组分。在定量或定性描述DOM的组分特征时，

对比DOM不同组组分含量及其组成比例来代表DOM的性质，

分的差异。DOM的分组方法主要有：按元素和官能团分组、按特殊化合物或化学基团分组、按分子量分组、按亲水性（极性大小）

［21］

分组、按酸碱性分组等。其中按极性大小结合酸碱性分组或按分子量大小分级是两种最为常用的方法。

最传统的以DOM组分的亲水性和酸碱性为基础的分组方

［27］［28］

法是XAD树脂吸附法。早在1976年，就有学者率先采用XAD树脂串联阴阳离子交换树脂将水中的DOM分成六种组分：憎水性碱（HOB）、憎水中性（HON）、憎水性酸（HOA）、亲水性酸（HIA）、亲水性碱（HIB）和亲水中性（HIN）。这种按DOM的极

性和亲水性程度进行分类的方法，有助于分析DOM中各组分与环境污染物之间的关系，也更容易揭示它们之间相互作用的机

［29］

因而广泛应用于DOM的研究中。理，

4．2溶解性有机物的表征技术

由于DOM属于包含了一系列化学性质各异的化合物的混因此目前还无法获得DOM组分结构的详细和精确信息，合物，

需要通过各种分析技术的综合解析，才能得到DOM中化合物的官能团组成、比例及结构等信息，这对于掌握DOM的性质特征及其在生态系统中的行为和功能具有重要意义。目前对于DOM组成的认识大多基于光谱学分析和分组分析的结果。用来表征DOM特征的参数主要有离子交换能力、C/O比值、分子量分布、元素组成、有机污染物的吸附能力以及可利用DOC的含量等。现有分析DOM结构及官能团特征的手段主要包括分子量测定、元素分析、紫外光谱分析（UV）、核磁共振（NMR）、红外光谱分析（FTIR）、GC/MS分析，LC－MS分析、荧光光谱分析（EEM）、功能

［5］

团和生物大分子水平上的结构分析等。一般需要根据研究目的，综合选用多种分析技术来对DOM进行表征。

5结语

DOM的研究大多集中于土壤、一般，地表水体和海洋等环境

由于各种污水的大量排放，大大影响到自然状况介质中。目前，

下水体DOM的正常组分。因此，对污水中DOM的研究，越来越引起研究者的关注，特别是对污水处理过程中DOM结构和官能团变化情况的研究。目前对不同水处理工艺各阶段DOM的变化规律、转化过程及反应机理等仍缺乏系统报道。

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