游离氨基酸是氯胺饮用水中卤代酮的前体：形成与形成机制

《Water Research》：Free Amino Acids are Precursors of Haloketones in Chloraminated Drinking Water: Formation and Formation Mechanism

　　

●分析了20种游离氨基酸在氯胺消毒过程中生成的卤代酮（HK）。
●侧链结构显著影响HK的产率。
●机理分析揭示了关键FAAs形成HK的主要转化路径。
●FAAs是氯胺消毒饮用水中有效的HK前体物质。

## 引言

饮用水卫生是关键性的公共卫生问题，消毒是确保水质安全的主要方法（Li and Mitch, 2018）。然而，消毒过程可能产生消毒副产物（DBPs），这些物质存在潜在的安全风险并可能损害水质（Xiang et al., 2025）。迄今为止，已鉴定出超过700种DBPs，其中100多种已被证明具有细胞毒性和遗传毒性（Cortés and Marcos, 2018; Wagner and Plewa, 2017; Xiang et al., 2025）。然而，大多数DBPs在发生水平及毒理学特征方面的表征仍不充分，突显了进一步研究以全面评估DBPs对饮用水安全影响的必要性（Du et al., 2025）。

卤代酮（HKs）是一类分布广泛且细胞毒性极高的脂族DBPs（Qiu et al., 2024）。此外，其在饮用水中的平均总浓度为3.4 μg/L，高于卤乙酰胺（HAMs，2.6 μg/L）、卤乙腈（HANs，2.7 μg/L）和卤代硝基甲烷（HNMs，1.6 μg/L）（Allen et al., 2022a; Aziz et al., 2022; Cuthbertson et al., 2020; Ding et al., 2013; Golfinopoulos et al., 2003; Guilherme and Rodriguez, 2014; Huang et al., 2017; Jeong et al., 2012; Krasner et al., 2006; Li et al., 2021a; Li et al., 2023; Shah and Mitch, 2012; Shanks et al., 2013; Villanueva et al., 2012; Wei et al., 2010; Yu et al., 2019; Zhou et al., 2023; Zhou et al., 2019）。此外，HNMs、HKs、HANs和HAMs对CHO细胞的中位LC50分别为13.2 μM、10.8 μM、8.5 μM和4.8 μM（Wagner and Plewa, 2017）。这意味着HKs的平均浓度高于含氮消毒副产物（N-DBPs），但其细胞毒性与之相当。除细胞毒性外，HKs在SOS铬合测试、Ames波动测试和微核试验等标准化生物检测中也被证明具有遗传毒性和致突变效应，表明其具有破坏遗传物质的潜力（Deng et al., 2021; Lecurieux et al., 1994）。动物研究报告称，某些HKs如1,1-二氯丙酮（11-DCP）和1,1,1-三氯丙酮（111-TCP）在啮齿类动物模型中与致癌或致突变效应相关（Deng et al., 2021）。这些证据的汇聚强调了将HKs归类为高毒性且优先关注的DBP类别的合理性。

在过去五年中，共有11种HKs在美国、中国、加拿大和西班牙的饮用水中被定量报道，各单体的平均浓度范围为30.0–1,277 ng/L（Allen et al., 2022a; Allen et al., 2022b; Bradley et al., 2021a; Bradley et al., 2021b; Chen et al., 2025; Chen et al., 2023; Gao et al., 2024; He et al., 2025; Hong et al., 2025; Hu et al., 2023; Justen et al., 2024; Lau et al., 2024; Li et al., 2024b; Li et al., 2023; Li et al., 2021b; Liu et al., 2023; Mian et al., 2021; Niehaves et al., 2026; Redondo-Hasselerharm et al., 2024）。其中，氯丙酮（CP）和1,1,1-TCP是主要的HK物种。此外，HKs在不同饮用水源中表现出广泛的污染水平范围，并存在显著的区域差异。例如，Li等人分析了中国苏州13个地点自来水中的HK浓度，报告范围为0.7–1.3 μg/L，约占总DBP含量的1.0%（Li et al., 2023）。Cuthbertson等人测量了美国4个地点饮用水中HK的浓度（Cuthbertson et al., 2020），发现其浓度范围为0.1–20.7 μg/L，平均浓度为10.6 μg/L，约占总DBPs的23.4%。造成这种差异可能有原因两种。一方面，由于原水差异，HK前体物质的种类和浓度不同。另一方面，原水消毒工艺的差别也可能导致所形成的DBPs在分布和浓度上的差异（Sadiq and Rodriguez, 2004）。综上所述，HKs具有高健康风险和广泛分布的特点，且污染水平存在区域变异性，对饮用水安全构成重大威胁。有必要进一步研究以阐明其形成机理及潜在的毒理学途径。

明确DBPs的前体物质和形成途径对于控制其生成至关重要，这将有助于减少污染并降低潜在的健康风险。游离氨基酸（FAAs）作为原水中广泛存在的溶解性有机物（DOM）的重要类别，容易成为DBPs的模型前体化合物（Bond et al., 2012; Hua and Reckhow, 2007a; Lu et al., 2018）。尽管FAAs仅占总溶解氨基酸的5.0%–20.0%（Westerhoff and Mash, 2022），但它们与游离氯或氯胺具有很高的反应活性。在相同条件下，FAAs形成HANs的效率是结合型氨基酸的十倍，其平均摩尔产率为27.0%，而结合型氨基酸仅为2.4%（Yu and Reckhow, 2020）。此外，FAAs在水处理过程中相对更难去除。在相同条件下，FAAs的去除率仅为25.0%，而结合型氨基酸的去除率达到65.0%（Westerhoff and Mash, 2002）。因此，FAAs更有可能作为DBPs的前体物质。Yu等人（2020）发现L-苏氨酸和L-天冬氨酸在氯化消毒下具有很强的形成DBPs的潜力，表明FAAs可能含有HKs的重要前体物质。从形成机理来看，这些前体物质主要通过氧化和脱羧过程生成丙酮，随后通过取代反应形成HKs（Yu, 2019）。此外，氯胺消毒可以显著减少三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）的生成（Sfynia et al., 2022），因此氯胺被广泛应用于原水有机碳含量较高的饮用水厂。然而，研究表明氯胺的使用可能会增加HKs的形成潜力（Hua and Reckhow, 2007b）。在机理方面，3-氧己二酸已被鉴定为一种可以形成高水平HKs的前体物质（Forster et al., 2025）。最近的一篇综述指出，关于HK形成机理的研究相当有限（Li and Richardson, 2026）。因此，关于氯胺消毒条件下关键HK前体物质的形成潜力和途径的研究仍不充分，需要进一步探索。

我们此前的研究评估了代表性FAAs在氯化消毒过程中几类优先DBPs的形成潜力（Li et al., 2024a）。然而，在氯胺消毒条件下，大量FAAs形成HKs的行为仍未得到充分理解。由于氯胺消毒涉及单氯胺而非游离氯作为主要消毒剂，氧化和卤化反应活性的差异可能导致不同的HK形成模式和产物分布。在本研究中，系统地研究了20种FAAs作为氯胺消毒条件下潜在HK前体物质的情况（表1）。我们进一步评估了氨基酸光学活性和侧链官能团对HK形成的影响，利用高分辨质谱（HRMS）和密度泛函理论（DFT）计算阐明了代表性高产率前体物质的转化路径，并估算了各FAAs对原水中HK形成的潜在贡献。这种综合方法为氯胺消毒条件下FAAs依赖的HK形成提供了新的见解，并将本研究与我们先前的氯化研究区分开来。

## 试剂与化学品

次氯酸钠购自J&K Scientific（中国北京）。20种氨基酸分别购自J&K Scientific（中国北京）、源叶生物（中国上海）、麦克林（中国上海）和阿拉丁（中国上海），纯度均为分析纯或更高。对于商业上有DL型的氨基酸，也同时获取了对应的DL型作为额外的立体化学参考，以评估D型、L型和DK形成中可能存在的差异。

## 20种氨基酸在氯胺消毒过程中的HK产率

系统评估了20种FAAs在氯胺消毒过程中的HK产率，详细结果汇总于表S3中。如图1a所示，苏氨酸（Thr，7.4 ± 0.4 μg/mg-C）、谷氨酰胺（Gln，7.1 ± 2.8 μg/mg-C）、缬氨酸（Val，6.8 ± 1.8 μg/mg-C）、天冬氨酸（Asp，6.8 ± 1.3 μg/mg-C）、苯丙氨酸（Phe，6.6 ± 1.4 μg/mg-C）和丝氨酸（Ser，6.6 ± 3.1 μg/mg-C）在所研究的FAAs中表现出最高的HK产率，均超过6.0 μg/mg-C。相反，如图1b所示，

## 结论与展望

本研究系统地调查了氯胺消毒过程中FAAs形成HKs的情况，阐明了控制HK产率的关键因素及其环境意义。丝氨酸（Ser）、天冬氨酸（Asp）、缬氨酸（Val）和苏氨酸（Thr）等几种FAAs表现出较高的HK产率，被确定为重要的HK前体物质，表明在原水中应优先控制这些FAAs以减缓饮用水消毒过程中HK的形成。此外，主要的HK物种

## 缩写列表

| 缩写 | 全称 | 缩写 | 全称 |
|------|------|------|------|
| 111-TCP | 1,1,1-三氯丙酮 | LC | 液相色谱 |
| 1133-TeCP | 1,1,3,3-四氯丙酮 | Leu | 亮氨酸 |
| 113-TCP | 1,1,3-三氯丙酮 | LOQs | 定量限 |
| 11-DCP | 1,1-二氯丙酮 | Lys | 赖氨酸 |
| 13-DCP | 1,3-二氯丙酮 | MDLs | 方法检出限 |
| Ala | 丙氨酸 | Met | 甲硫氨酸 |
| Arg | 精氨酸 | MTBE | 甲基叔丁基醚 |
| Asn | 天冬酰胺 | N-DBPs | 含氮消毒副产物 |
| Asp | 天冬氨酸 | Phe | 苯丙氨酸 |
| Bp | 溴乙酮 | Pro | 脯氨酸 |
| C-DBPs | 含碳消毒副产物 | | |

**未引用参考文献：** Hong et al., 2007

## CRediT作者贡献声明

Tian Qiu：原始稿件撰写、方法论、调查研究、概念构思。Zhuorong Du：软件、资源、概念构思。Miaomiao Fu：软件、方法论。Weigao Zhao：审稿与编辑、项目管理。Jingsi Chen：验证、资源。Jiafu Li：审稿与编辑、监督、资金获取。

## 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

## 致谢

本研究获得姑苏创新领军人才项目（ZXL2023208）、江苏省自然科学基金（BK20210737）、中国博士后科学基金（2022M713301）、苏州市应用基础研究重点项目（医疗卫生领域）（SYW2025038）以及江苏省高等教育机构优先学术发展项目（PAPD）的资助。作者使用了ChatGPT/Qwen来提高稿件的语言和可读性。之后

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