在氯胺消毒过程中，芳香族氨基酸生成氯苯基乙腈的机制

《Environmental Pollution》：Formation mechanisms of chlorophenylacetonitriles from aromatic amino acids in chloramine disinfection

本研究系统调查了苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸在氯胺消毒过程中生成氯代苯基乙腈（CPANs）的中间产物、反应位点、氮源及路径，发现氮源主要来自氯胺（>50%）及氨基酸骨架脱羧，分子静电势计算显示α-氨基和芳香环是主要反应位点，高氯胺剂量下醛路径占主导。

　　

张新如|金一凡|方倩倩|陈振毅|刘江民|魏晓轩|余海英

浙江师范大学地理与环境科学学院，中国浙江省金华市，321004

摘要

氯苯乙腈（CPANs）是一类具有高细胞毒性的含氮消毒副产物（DBPs），在氯化水中越来越多地被检测到。然而，它们从芳香族氨基酸（ArAAs）形成的机制尚不明确，而芳香族氨基酸是蛋白质水中的关键富氮前体。本研究系统地探讨了苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp）在氯化消毒过程中形成CPANs的中间体、反应位点、氮源及途径。共鉴定出26种DBPs，其中包括7种CPANs，其中色氨酸产生的CPANs种类最多（18种）。¹⁵N同位素实验表明CPANs的氮源有两种：超过50%的氮来自通过醛中间体（苯乙醛/吲哚-3-乙醛）与氯胺的反应，而脱羧途径则提供了剩余的氮来自氨基酸骨架。值得注意的是，氯胺的用量会影响反应途径的竞争：随着氯胺浓度的增加（C[ArAAs]:C[NH₂Cl] ≤ 1:10），CPANs的形成途径逐渐偏向于醛途径。分子静电势计算表明α-氨基（ALIE：0.30～0.46 Hartree；ESP：?0.03～0.01 Hartree）和芳香环是主要的反应位点，驱动了连续的氯化和环化反应。这些发现挑战了将氯化消毒视为“更安全”替代方法的观点，强调了需要针对特定前体采取控制策略以降低富氮水中CPANs的风险。

引言

饮用水消毒虽然对杀灭病原体至关重要，但消毒剂与天然有机物（NOM）的反应会无意中产生有毒的消毒副产物（DBPs）（Li等人，2019；Li和Mitch，2018）。其中，受监管的碳基DBPs（C-DBPs），如三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs），由于其致癌性和生殖毒性而受到广泛研究（Costet等人，2011；Diana等人，2019；Grellier等人，2010；Rahman等人，2014；Richardson等人，2007）。为了减少C-DBPs的生成，许多供水机构采用了氯化消毒作为传统氯消毒的替代方法（Bond等人，2014；Hu等人，2018；Wolfe等人，1984）。然而，这种转变加剧了对含氮DBPs（N-DBPs）的担忧，因为它们的毒性明显高于C-DBPs（Lu等人，2025；Plewa等人，2008；Shah和Mitch，2012）。特别值得关注的是氯化苯乙腈（CPANs），这类芳香族N-DBPs在饮用水系统中的检出率逐渐增加（Zhang等人，2019；Zhang等人，2021）。CPANs在处理过程中表现出显著的持久性，并且其毒性比脂肪族同类物质高几个数量级（Yang等人，2023；Zhang等人，2018），对公共健康构成了未解决的风险。

芳香族氨基酸（ArAAs），包括苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp），由于其同时具有胺基和芳香基官能团，是芳香族N-DBPs的关键前体，这类物质在富含蛋白质的天然水和废水中普遍存在（Guan等人，2024；Wu等人，2024）。虽然已知脂肪族氨基酸（例如甘氨酸、天冬氨酸）可以通过两种已建立的途径生成二氯乙腈（DCAN）——脱羧途径（氮来自氨基酸）和醛途径（氮来自氯胺）（How等人，2017；Huang等人，2012）——但芳香族CPANs的形成机制仍不清楚。Phe、Tyr和Trp中的共轭π体系和反应性芳香环（Gao等人，2022；Liu等人，2019）可能导致了与脂肪族氨基酸不同的反应途径。初步证据还表明，芳香族氨基酸的氯化反应产生的醛中间体远多于氯化反应，这表明这些物种是CPANs形成的关键前体（Xue等人，2022；Zhou等人，2023）。

由于两个未解决的挑战，关键知识空白仍然存在。首先，传统的氯消毒模型无法充分解释氯胺的特异性行为：虽然氯主要通过自由基介导的途径生成卤乙酸，但氯胺较弱的氧化能力更倾向于亲电取代和缩合反应（Kong等人，2018；Pham等人，2021；Yang等人，2016）。其次，芳香结构引入了复杂的反应性，例如Trp中的富电子吲哚环和Tyr中的酚基（Ipson和Fisher，2016；Rose等人，2016），可能会发生环开裂或多点卤化，生成脂肪族系统中不存在的杂环DBPs。以往的研究主要集中在简单前体生成的三氯硝基甲烷和卤乙腈（Yang等人，2017；Ye等人，2018），忽略了蛋白质来源的芳香族氨基酸的结构复杂性。此外，CPANs中的氮来源（无论是来自消毒剂还是前体分子）尚未得到严格验证，尽管这对DBPs的调控和来源控制具有重要意义。

本研究通过结合高分辨率质谱分析、同位素追踪和计算模拟来填补这些空白。我们提出：（1）氯胺在CPANs的形成过程中同时作为卤素供体和亲核试剂；（2）芳香醛作为连接氨基酸降解和腈类化合物合成的关键中间体；（3）Phe、Tyr和Trp上的位点特异性反应性受分子电子性质调控。通过确定CPANs的形成阈值、氮源机制和途径竞争动态，本研究为从复杂有机氮前体生成N-DBPs提供了预测框架。这些见解推进了氯胺化学的基础研究，同时为供水机构提供了可行的策略，以在富氮水中平衡消毒效果和DBPs的减少。

部分摘录

化学试剂

苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp）（纯度≥99%）购自上海迪派生物科技有限公司。三种氨基酸的分子结构信息见表1。有机试剂包括乙腈（HPLC级，纯度≥99.0%）、甲酸（HPLC级，纯度≥99.9%）和甲基叔丁基醚（MTBE，GC级，纯度≥99.9%）均购自Sigma-Aldrich（上海）。¹⁵N标记的¹⁵N氯化铵（纯度99%）及其他所有试剂（HPLC或GC级）均购自...

氯化消毒过程中氨基酸生成DBPs的鉴定

研究了三种芳香族氨基酸（Phe、Tyr和Trp）在氯化消毒过程中在不同反应时间和氨基酸与氯胺比例下的DBPs生成情况，重点关注CPANs及其中间体。通过GC-MS分析结合选择性离子监测（目标离子：m/z = 89, 117, 114, 150, 151, 185）共鉴定出26种DBPs，其中包括7种氯化CPANs（3种单氯化和4种双氯化物种）。

结论

本研究揭示了芳香族氨基酸结构、氯胺化学与含氮DBPs生成之间的复杂相互作用，得出了三个关键见解。首先，CPANs是Phe、Tyr和Trp氯化消毒过程中的普遍副产物，即使在氨基酸与氯胺比例为1:1的情况下也能被检测到。其次，氮的来源有两种途径：一种来自氯胺，另一种来自氨基酸骨架，这两种途径通过竞争性的醛途径和脱羧途径实现。

CRediT作者贡献声明

方倩倩：方法学研究。金一凡：方法学研究、实验分析、数据分析。刘江民：数据分析。陈振毅：验证、方法学研究、数据分析。余海英：项目监督、资源管理、资金获取、概念构思。魏晓轩：项目监督、概念构思。张新如：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22376189）和学术界青年人才培养计划（余海英）的支持。