综述：新兴的高碳氮消毒副产物：结构、存在情况与研究需求的简要综述

《Current Opinion in Environmental Science & Health》：Emerging Higher-Carbon Nitrogenous Disinfection Byproducts: A Brief Review of Structures, Occurrence, and Research Needs

高碳氮消毒副产物（N-DBPs）的12大类196种化合物被综述，涵盖卤代芳香/环化合物及含氰基、酰胺基的烷基/芳香/环化合物。近半数化合物有标准品验证，氯代是最受研究的氧化方式，其毒性较非氮类副产物高1个数量级。需加强DBPs与新兴污染物（CECs）的协同研究，特别是氮引入对高级氧化过程（AOPs）的影响。

　　

作者：Siavash Mohamadi、Christian A. Werner、Ning Dai

美国纽约州立大学布法罗分校土木、结构与环境工程系，布法罗，NY 14260

摘要

在水处理过程中会产生消毒/氧化副产物（DBPs）。含氮的DBPs（N-DBPs）通常比不含氮的DBPs更具毒性。最近有报道称存在碳原子数超过两个的DBPs（“高碳DBPs”），但关于高碳N-DBPs的研究现状尚未得到全面综述。本文整理了355种新兴高碳N-DBPs的化合物/结构，总结了12大类（共196种化合物/结构）的存在情况、前体物质及氧化处理方法，包括卤代芳香/环状化合物（硝基酚、苯胺、苯醌亚胺、吡啶、吡咯、咪唑、吲哚和核碱基），以及含有腈基、酰胺基和亚胺基的脂肪族/芳香/环状化合物。几乎一半的主要高碳N-DBPs已通过标准方法得到确认，但基于质谱的鉴定也很常见。氯化是研究最广泛的高碳N-DBPs生成方法，其次是氯胺化和预臭氧处理，而二氧化氯和紫外线处理则较少被考虑。根据有限的研究数据，实际水样中的高碳N-DBPs浓度范围为<0.1至约100 ng/L，但其全球分布情况仍不清楚。初步毒性评估显示，高碳N-DBPs的毒性高于非含氮类化合物及受监管的DBPs。本文还讨论了DBPs研究与新兴污染物（CECs）之间的潜在协同作用，因为CECs可能是高碳N-DBPs和高度关注的小分子DBPs的重要前体来源。加强DBPs研究与高级氧化过程（AOPs）之间的协同作用，特别是在AOP过程中氮的参与机制方面，将有助于我们更深入地了解高碳N-DBPs的形成过程。

引言

消毒副产物（DBPs）是消毒剂与水中各种成分反应生成的化合物。Chen等人在2024年的综述中总结了已报道的6310种DBPs，其中807种的化学结构已得到确认，并在饮用水中被检测到[1]。然而，全球范围内仅对少数DBPs进行了监管。除了传统的消毒方法（如氯化、氯胺化）外，针对新兴污染物（CECs）的高级氧化过程（AOPs）在去除病原体的同时也会产生副产物。由于这些副产物的生成反应具有共同的氧化性质，因此DBPs也可涵盖消毒和氧化过程中的副产物。在常见的研究化合物中，含氮的DBPs（N-DBPs）如亚硝胺、卤代乙腈、卤代酰胺和卤代硝基甲烷通常比不含氮的DBPs（如受监管的三卤甲烷和卤代乙酸）更具毒性[2]。 最近有报道称存在碳原子数大于或等于3的DBPs，例如卤代苯醌、卤代酚和卤代咪唑。在本综述中，我们将“高碳”（N-）DBPs定义为含有两个以上碳原子的N-DBPs，“更高”一词表示“超过两个”。选择使用“高碳”而非“高分子量”或“大分子”，是因为后者可能包含大分子（如蛋白质和天然有机物的某些成分）。初步毒性评估表明，许多高碳N-DBPs的毒性高于其不含氮的对应物[3]；例如，在哺乳动物细胞实验中，卤代硝基酚的毒性比卤代酚高一个数量级[4]。全水毒性实验也表明，高碳DBPs可能是影响消毒水质的重要因素：一项针对常规饮用水和可再利用水的研究表明，当前研究关注的35种小分子DBPs（包括三卤甲烷、卤代乙腈、卤代醛、卤代酮、氯picrin、卤代酰胺和卤代乙酸）对总细胞毒性的贡献占比不到17%[5]。虽然传统的DBP风险评估主要关注人类健康，但这些化合物也可能对生态系统产生影响，这需要通过不同的毒性评估方法来揭示[6]。尽管新兴高碳N-DBPs普遍存在且具有潜在毒性，但相关研究尚未得到充分评估。 早期的DBP研究主要关注天然有机物（NOM）作为DBPs的前体。随着对N-DBPs的关注增加，研究人员开始研究含有更多溶解有机氮（以生物分子形式存在，如氨基酸和肽）的“新鲜”有机物（如废水排放物和藻类有机物）。此外，许多合成化学品（包括药品、个人护理产品、农用化学品和轮胎衍生化学品）也含有氮基团，在全球水源中普遍存在[7]，但它们对N-DBPs风险的贡献尚未得到充分研究。 本文的目的是：1）总结新兴的高碳N-DBPs类别并概述研究现状；2）探讨DBPs研究与CECs研究之间的潜在协同作用，包括一个评估CECs作为高碳N-DBPs和小分子N-DBPs前体的框架，并强调氮在AOP中的潜在作用。

数据收集

我们使用两种并行文献搜索方法收集了新兴高碳N-DBPs的信息。2023年，Mitch等人发表了一篇关于氯化过程中产生的高碳DBPs的综述[8]。因此，我们首先参考了这篇综述的参考文献列表，筛选出11篇报道高碳N-DBPs的论文；随后在Web of Science上搜索了截至2025年5月引用这些论文的文献，并挑选出相关出版物以提取高碳N-DBPs的信息

优先考虑CECs作为DBPs研究对象的框架

随着CECs在水源中的普遍存在及其在氧化处理过程中生成副产物的潜力，人们开始关注它们作为DBPs前体的可能性[47]。虽然已经建立了一个包含137种CECs氯化产物的数据库[48]，但该数据库并未专门针对高碳N-DBPs。由于许多CECs是含氮化合物，它们生成已知小分子DBPs的途径仍然值得研究，这具有重要的监管意义和实际应用价值

结论与展望

本简要综述总结了近年来发现的主要高碳N-DBPs类别。尽管已取得显著进展，但在全球分布、毒性、前体物质及形成机制方面仍存在知识空白。未来的监测工作可以利用高分辨率质谱（HRMS）和本文总结的数据库（表S1–S2）来实现更广泛的全球筛查。考虑到高碳N-DBPs的结构多样性以及合成物质的日益增多

作者贡献：

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系和个人关联：

>Ning Dai表示获得了美国国家科学基金会的财务支持；Siavash Mohamadi表示获得了美国国家科学基金会的财务支持；Ning Dai与布法罗大学存在雇佣关系；Siavash Mohamadi也与布法罗大学存在雇佣关系；Christian Werner

致谢

本项工作得到了美国国家科学基金会（CBET-1652412、CBET-1805058和OISE-2230728）的资助。C. A. Werner还得到了纽约州立大学布法罗分校工程与应用科学学院的额外支持。