综述：消毒副产物研究的分析前沿：通过先进的质量谱、同位素和传感技术，探讨其形成、转化过程与抗生素耐药性之间的关联

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Analytical Frontiers in Disinfection Byproducts Research: Linking Formation, Transformation, and Antibiotic Resistance through Advanced Mass Spectrometry, Isotopic, and Sensing Tools

　　

黄海|黄丹莲|王光福|杜莉|徐文波|陈浩杰|周伟|雷阳

湖南大学环境科学与工程学院，中国长沙410082

摘要

消毒副产物（DBPs）对水质安全构成双重威胁：它们本身具有毒性，同时还会增加抗生素抗性基因（ARGs）的风险。本文在统一的分析框架下系统地整合了三个关键方面：首先，我们评估了消毒方法对DBPs的形成、转化和降解的影响；其次，我们探讨了DBPs如何通过诱变、选择压力和加速的水平基因转移促进抗生素抗性的出现和传播；最后，我们对比了高分辨率质谱技术与新兴的同位素技术及传感分析方法。总体而言，我们的分析表明现有方法不足以检测未知的DBPs，因此需要采取综合措施来减轻DBPs和ARGs的双重风险。这项研究提供了独特而及时的全面分析，不仅阐明了DBPs与ARGs之间的复杂关系，也为未来的研究和水资源安全管理提供了参考。

引言

通过地表水和地下水处理提供安全饮用水是现代公共卫生基础设施的基石[1]。自上个世纪末以来，水消毒（如氯消毒、氯胺消毒、臭氧消毒等）在饮用水处理中变得至关重要，以应对水传播疾病。特别是在COVID-19疫情之后，饮用水处理厂增加了消毒剂的使用，以降低新冠病毒污染的健康风险[2]。然而，在消毒过程中，与天然有机物（NOM，如酚类、藻类有机物和氨基酸）的相互作用不可避免地会产生消毒副产物（DBPs），这些物质已被证明对人体具有致癌性（例如膀胱癌）、致畸性和诱变性[3]。在一些最近的研究中，即使在环境相关浓度（约μg/L）下，DBPs也会对环境构成风险[2]、[4]、[5]。

鉴于DBPs的风险，有必要阐明其在饮用水处理系统中的命运（生成、转化和降解）。不同的消毒技术会产生不同的DBPs：例如，氯化过程中最常见的DBPs是卤乙酸（HAAs）和三卤甲烷（THMs）[6]；氯胺消毒会产生更多的N-DBPs（如卤代乙腈和二甲基亚硝胺等）[7]；而臭氧消毒则与溴酸盐密切相关[8]。同时，结合使用的技术和卤素（Br^-和I^-）在饮用水中会产生更具毒性的DBPs，例如UV/氯化处理会产生二氯乙腈（一种N-DBPs），这在单独氯化过程中不会发生[9]；臭氧化处理会在后续的氯化（氯胺化）过程中产生更多的溴化DBPs[10]；Br^-显著促进了氯化过程中溴化产物的生成，增加了混合DBPs的毒性[11]。据我们所知，这两个方面已在之前的综述中进行了详细讨论。作为消毒过程中NOM的重要中间体，芳香族DBPs通常比受控的脂肪族DBPs（如HAAs和THMs）更具毒性，并被认为是它们的主要来源[12]。因此，探索芳香族DBPs的转化和降解途径有助于进一步揭示脂肪族DBPs的形成机制，从而有助于制定控制策略。

需要注意的是，尽管受控的THMs和HAAs在饮用水中的含量较高，但它们并非主要的毒性驱动因素[13]。已识别的DBPs仅占总有机卤素的40%左右，而主要消毒剂产生的总有机卤素中还包含更多未知的DBPs[14]。因此，识别未知DBPs种类对于全面理解DBPs的毒性和环境命运至关重要。为了确保公众免受DBPs的危害，迫切需要开发灵敏且准确的方法来识别和监测典型的受控DBPs以及未知DBPs。一些现代监测技术，如质谱[15]、同位素分析[16]和传感技术[17]已被用于DBPs的识别和监测，但缺乏系统总结这些技术原理及其缺点的综述。另一方面，在持续深入研究DBPs的环境和人类风险的过程中，研究人员发现DBPs会刺激水生环境中抗生素抗性（AR）的生成和传播，这是另一个严重的全球健康问题。特别是在COVID-19大流行之后，饮用水中消毒剂的使用量增加，使得DBPs和抗生素抗性基因（ARGs）在分配系统中共存的可能性增大，尤其是分布在管道表面的生物膜为DBPs与细菌之间的接触提供了稳定的环境[4]。DBPs和ARGs的同时存在对人类健康和生态平衡构成了重大风险，这凸显了迫切需要开展全面综述以阐明DBPs加剧ARGs污染的机制。

为应对这些相互关联的挑战，本文采用了一个综合分析框架，系统地将DBPs的形成和转化途径与其相关风险（特别是对ARGs的促进作用）联系起来，并评估了能够提供这些见解的先进监测技术。我们对三个领域的现有研究成果进行了批判性综合和比较分析：（1）在不同消毒条件下DBPs的形成和转化过程，特别关注研究不足的途径；（2）它们对生态和人类健康的威胁，批判性地评估了将DBPs与抗性基因增殖联系起来的新兴证据；（3）先进监测技术，比较它们的能力和局限性，以阐明这些复杂的相互作用。本研究提出了优化水处理方案和推进下一代DBP检测框架的可行策略。

章节摘录

氯

如图1a所示，氯可以攻击NOM，生成中间DBPs（包括非卤化和卤化DBPs），最终生成卤化脂肪族DBPs（主要是THMs和HAAs）[1]。THMs是最早发现的DBPs，它们是通过用卤素原子替换甲烷碳原子形成的[12]。多环芳烃（氧碳比高）、富含氧功能团的多酚化合物以及具有电子捐赠能力的化合物

对水生生物和人类的毒性

早期关于DBPs毒性的研究主要集中在饮用水中的健康风险上。细胞培养和动物研究表明，接触DBPs通常与可能的致癌性、基因毒性、诱变性和神经毒性以及内分泌干扰有关[2]。根据最近的研究，即使是在微克/升（μg/L）的浓度下，DBPs也可能对水生生物具有毒性，对水生生态系统造成有害影响。例如，在COVID-19疫情期间，

DBPs的先进监测技术

分析技术的进步不仅仅是一种技术革新，更是一种根本性力量，它重塑了我们对DBPs问题的理解。新的监测方法可以显著提高分析痕量级和多种DBPs的效率、灵敏度和准确性，尤其是那些以前未知的DBPs。如下所述，我们强调了向复杂质谱技术的转变，包括典型的气相色谱-质谱（GC-MS）等

结论与未来展望

DBPs是饮用水消毒过程中不可避免的产物，近年来受到了越来越多的关注。本文系统地研究了DBPs的形成和转化机制，批判性地评估了DBPs与增强抗生素抗性之间的复杂关系，并评估了用于检测DBPs的分析工具。我们的综合分析得出了三个核心结论：首先，DBPs的形成和类型在很大程度上取决于消毒过程

CRediT作者贡献声明

黄丹莲：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源获取、调查、资金申请、正式分析、概念化。王光福：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、正式分析。杜莉：撰写——审稿与编辑、软件应用、方法论、正式分析。徐文波：撰写——审稿与编辑、软件应用、方法论。黄海：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件应用、方法论、正式分析、数据整理

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52570202、52400208）、中国国家创新人才推进计划（2021年）、中国顶尖青年人才支持计划（2014年）、湖南省科技创新计划（2020RC4014）、湖南省自然科学基金（2025JJ30021）以及湖北省污染损害评估重点实验室等机构的财政支持