华中农业大学刘广龙课题组WR｜使用FT-ICR MS解析颗粒有机物分子组成与湖泊富营养化的关系

生态环境科学 · 公众号 · · 2024-12-20 08:30

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文章信息

第一作者： 郭敏丽

通讯作者：刘广龙教授

通讯单位：华中农业大学

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122936

亮点

• 揭示了湖泊富营养化与颗粒有机物（ POM ）组成之间的联系。

• 不同湖泊中 POM 以内部来源为主。

• 特有 POM 分子的数量随湖泊营养水平的升高而增加。

• 特有 POM 分子展现出低不饱和度、芳香性和氧化性。

• POM通过特有的含磷分子参与湖泊富营养化进程。

研究进展

富营养化已成为全球湖泊面临的一个重大环境问题。作为营养物质的重要载体，颗粒有机物（POM）在富营养化过程中发挥着至关重要的作用。然而，现有研究对不同营养水平湖泊POM的来源和分子组成及其对湖泊生态系统生物地球化学循环过程的可能影响还缺乏足够认识。本研究使用碳氮稳定同位素和傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）等技术对长江中下游7个不同营养水平湖泊的POM进行了表征。结果显示，在不同湖泊中，内部来源占POM来源的比例更大。POM分子主要由CHO、CHON、CHOP、CHOS和CHONS等亚类组成。其中，CHOP分子中不稳定化合物占比最高，为51.56%。随着湖泊营养水平的升高，特有POM分子的不饱和度、芳香性和氧化性降低。特有POM分子中CHOP分子与活性分子占比呈显著正相关。脂质和蛋白质类化合物的相对丰度与湖泊营养水平呈正相关，表明随着湖泊营养水平的增加，内源POM的含量逐渐增加。由此，我们推断随着湖泊富营养化进程的加剧，内源POM增加，伴随着POM中不稳定含磷化合物的增加，从而以正反馈的形式加速湖泊富营养化。本研究在分子水平上揭示了湖泊富营养化频发的深层机制，对了解POM的命运和有效控制湖泊富营养化具有重要意义。

图1 图文摘要

基于典型的δ ¹³ C和 δ ¹⁵ N值，考虑了7种潜在来源来量化不同来源对POM的贡献。端元分析结果表明，不同湖泊的POM由内部（53.9%-80.9%，平均62.7%）和外部（19.1%-46.1%，平均37.3%）来源驱动，包括内源浮游植物（30.8±18.7%）、藻类（12.9±6.86%）、大型植物（10.5±2.7%）、沉积物（8.5±4.3%）和外部来源的陆地植物（14.8±6.7%）、土壤有机质（SOM）（9.8±3.5%）和污水（12.6±7.8%）（图2）。内部来源在POM来源中占主导，可能是由于浮游植物通过湖泊生态系统中的微生物分解作用有效利用了陆地营养物质，导致了内部来源的增加。

图2 不同营养水平湖泊POM样品中各末端成员的分布（a）和各来源的贡献（b）

在负离子模式下，7个湖泊POM样品共鉴定出5092-5898个分子，各分子光谱在200-750 m/z范围内呈正态分布。检测到五个主要的亚类，包括CHO、CHON、CHOP、CHOS和CHONS（图3a）。CHO的比例最高，达到41.71%-49.34%，其次是CHON（41.42%-45.13%）（图3a）。CHOP约占所有POM分子的5.63%（2.96%-8.33%）。此外，还有一些CHOS和CHONS，分别占所有POM分子的3.43%和2.17%（图3a）。进一步分析活性分子占比（MLB L %）在五个子类别中的分布情况发现，CHOP分子的ML B L %最高，为51.56%，CHOS次之，为44.09%，CHON分子的ML B L %最低，为26.67%（图3b），表明含磷和含硫分子比含氮分子具有更高的不稳定性。较高的ML B L %表明POM中的含磷分子具有较高的化学反应性和生物利用度，因此也更容易参与到物质循环中。

图3 不同湖泊POM分子主要子类别的占比（a）和各子类别中ML B L 的占比（b）

对FT-ICR MS鉴定的POM分子的分子参数与湖泊营养水平之间进行了相关性分析，各参数之间的相关性均未达到显著水平。当仅考虑特有的POM分子时，这些相关关系得到了加强。在特有的POM分子参数中，DBE wa 和H/C wa 代表的不饱和度随着湖泊营养水平的升高而降低，芳香性指数AI mod,wa 也随着湖泊营养水平的升高而降低（图4）。这可能是由于内源POM的占比增加所致。O/C wa 与TSI呈负相关，表明湖泊营养水平越高，特有POM分子的氧化程度越低。我们之前的研究表明，O/C较低的含磷分子更容易受到光降解的影响（Guo et al.，Water Res. 2023，236，119954）。结合本研究的结果，表明营养水平较高的湖泊具有更高的分子活性和降解潜力，因此更容易参与物质循环过程。在特有POM分子中，MLB L %与CHOP分子的百分比之间存在显著的正相关关系，与其他子类别没有显著相关性（图4），表明尽管在所有的活性分子中，特有的含磷分子占比不高，却主导了活性分子的总体分布。特有CHOP分子的比例和TSI与H/C wa 、DBE wa 和A I mod,wa 显示出一致的相关性（图4），表明在特有POM分子中，含磷分子主导了POM的特性，从而影响了湖泊营养水平。

图4 TSI和特有POM分子参数的Spearman相关系数分布。Comp.1：脂质、Comp.2：蛋白质、Comp.3：碳水化合物、Comp.4：不饱和烃、Comp.5：木质素/CRAM、Comp.6：单宁、Comp.7：CAS、Comp.8：其他

本研究在分子角度解析了湖泊富营养化发生的深层机理，即在营养水平较高的湖泊中，POM含量越高，且内源POM的贡献也越高，表明富营养湖泊中更多的有机质参与了物质循环过程。POM分子的低不饱和度、芳香性和氧化性表明富营养化湖泊中会积累更多不稳定且易于分解的POM，从而加速富营养湖泊中有机物的矿化。因此，我们推断富营养化过程和藻华爆发导致湖泊POM组成的变化，进而影响有机物的生物地球化学循环（如降解和沉积）和污染物行为（如吸附、运输和转化）。内源POM作为有机物的重要储存库，在富营养化进程中应受到更多关注。未来有必要研究富营养化湖泊中的内源有机质库对更大尺度生态系统的影响机制，以及分子尺度上有机质的环境行为。

作者介绍

刘广龙 ，华中农业大学资源与环境学院，教授，博士生导师。研究方向为磷素生物地球化学循环，重点关注水体富营养化发生机理与农业面源污染综合防治方面的研究工作。先后主持国家自然科学基金、霍英东青年教师基金等项目20余项。于 Water Research 、 ACS ES&T Engineering 、 Environment International 、 Journal of Hazardous Materials 、 Chemical Engineering Journal 和中国环境科学等专业主流期刊发表论文65篇。以第一发明人授权发明专利6项（美国专利1项），出版专著1部，编制地方标准4项，获省部级奖励3项。

通讯邮箱 ： [email protected]

郭敏丽 ，博士毕业于华中农业大学资源与环境学院，现就职于河南师范大学环境学院。研究方向为颗粒有机物的地球化学特征与环境效应。相关工作于 Water Research 、 Environment International 、 Environmental Pollution 等期刊发表SCI论文7篇。

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