使用多同位素方法识别溶解性有机质来源

《CLEAN – Soil, Air, Water》：Identification of Sources of Dissolved Organic Matter Using Multi-Isotope Approach

　　

溶解性有机质（DOM）是水生生态系统微生物群落最重要的营养来源，并在营养循环中发挥关键作用。在本研究中，研究人员详细介绍了通过固相萃取（SPE）方法提取DOM，并使用同位素比值质谱仪（IRMS）测量δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S。提取使用的是Inertsep HLB-FF柱，对于所测试的标准物质，提取效率估计为85.2 ± 2%–89 ± 2%，而对于广泛的天然水样本，提取效率为58 ± 3%。发现SPE提取物的洗脱组分的δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S值与所测试标准物质（HA和FA化合物）的原始值相似，这表明所开发的方法具有稳健性，并且在DOM提取过程中不会导致任何具有统计学意义的同位素分馏。使用所开发的方法测试了来自不同地质地形的天然水样本，如大坝水库、湖水和地下水，并利用这些同位素值来识别DOM的来源。本研究中描述的分析方法具有为营养循环以及新污染物的来源和途径提供更深入见解的潜力。

溶解性有机质（DOM，Dissolved Organic Matter，是一类存在于土壤、沉积物和水生介质中，含有碳、硫、氮和氧等元素的异质性水溶性有机化合物融合体）广泛存在于自然界中，在水生系统中不仅是微生物群落的营养补充剂，还与金属离子形成络合物从而影响污染物的吸附和迁移行为。然而，水体中DOM过量会导致CO₂、H₂S、NO₂等有害气体释放，成为有害藻华和富营养化的重要诱因。在传统的DOM研究中，研究人员常使用飞行时间质谱法（TOF-MS）、傅里叶变换离子回旋共振质谱法（FT-ICR-MS）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）来获得分子层面或元素层面的信息。但受限于电离效率和基质效应的影响，且无法追溯到国际同位素比值标准，这些技术无法直接通过定量的δ¹³C、δ¹⁵N或δ³⁴S测量来限制DOM的来源。同位素比值质谱法（IRMS，Isotope Ratio Mass Spectrometry，一种专门用于研究环境稳定同位素并可直接追溯国际同位素标准的关键分析技术）虽被证实适用于示踪水体污染源，但现存研究多聚焦于单一或双重同位素分析，而将碳、氮、硫等多种同位素结合的综合框架十分有限，导致区分重叠的DOM来源和转化途径极具挑战。此外，提取、浓缩和储存DOM时产生的同位素分馏不确定性也进一步限制了跨研究的定量源解析。为填补这一空白，研究人员开展了一项研究，旨在标准化固相萃取-元素分析-同位素比值质谱（SPE-EA-IRMS）联用技术，以同时测定天然水体中DOM的δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S组成，并探究这些同位素在识别DOM来源中的有效性。研究结果表明该方法能够高效提取DOM且不产生显著的同位素分馏，通过同位素指纹成功识别了不同水体环境中DOM的来源。该研究为揭示水生系统中DOM的来源和生态意义提供了宝贵的见解与技术支撑，相关论文发表在《CLEAN – Soil, Air, Water》期刊上。

在关键技术方法方面，研究人员首先选取Inertsep HLB-FF柱作为固相萃取（SPE，Solid Phase Extraction）的核心提取耗材，利用胡敏酸（HA，Humic Acid）和富里酸（FA，Fulvic Acid）这两种代表性腐殖质建立标准曲线。样本队列主要来源于印度东部和西部具有明显水文生态差异的地表水与地下水，共涵盖9个地表水样本（包括大坝水库、湖泊）和6个地下水样本（主要为Padra工业区及城市湖泊周边的地下水）。

提取效率与DOM回收率
通过分光光度法测定HA和FA的特征吸收波长后建立校准曲线，研究人员发现HLB柱对HA和FA标准溶液的提取效率分别达到85.2 ± 2%和89 ± 2%，具备良好的回收率。由于天然水体中的DOM成分高度异质且含有大量无机离子干扰，天然水样本的实际提取效率为58 ± 3%。

提取与洗脱优化
研究人员通过对不同重量的标准物进行δ13C、δ15N和δ34S测试发现，当DOM重量在0.5 mg及以上时同位素值保持一致，表明获取代表性同位素数据的最小样本量为0.5 mg。通过单因素方差分析（ANOVA）和Kruskal-Wallis检验对原样和洗脱组分比较表明，HA的洗脱组分与原样同位素值无显著差异，而FA的δ15N和δ34S在提取后发生了显著的同位素分馏，原因是固相萃取柱中苯乙烯-二乙烯基苯的疏水作用和含N乙烯基聚合物的氢键作用对FA中富含特定杂原子的组分产生了选择性保留。

在讨论部分，研究人员对采集水样的理化性质、微量金属分析与天然水体的同位素解读进行了全面探讨。

理化参数
现场测试显示，不同地表水与地下水的pH、溶解氧（DO）、电导率（EC）和总溶解固体（TDS）等参数因土地利用、气候和水文差异而变化显著。工业区的地下水样本普遍表现出较高的电导率与总溶解固体含量，反映了强烈的环境压力。

微量金属分析
对部分水样进行微量金属分析表明，工业区的地下水中Sr、Mn、As等金属浓度较高，其中S1样本受金属污染最为严重，而S3样本表现出局部高As和Sr的特征，指示了人为或局域地球化学输入的影响。

天然水体的同位素解释
研究人员利用δ13C、δ15N和δ34S对DOM来源进行溯源。大坝水体受大型水生植物、藻类及C3植物等自然源影响；东部湖泊DOM受粪便及农业径流影响明显；沿海城市湖泊DOM主要来自陆生C3植物和土壤有机氮。与地表水不同，地下水中的DOM主要来源于沼泽植物渗滤、浮游植物及土壤沉积物，且检测到了受还原环境及细菌活动影响的δ34S特征。特别是Padra工业区地下水表现出较高δ15N和显著负偏的δ34S，结合微量金属分析结果，证实了生活污水和工业废水对地下水DOM的显著侵入影响。

研究结论
本研究成功开发并标准化了用于天然水体DOM同位素特征分析的SPE-EA-IRMS技术。Inertsep HLB-FF柱对标准物的回收率在85‰–89‰之间，天然水样本回收率为58‰。最小 dried DOM 量为0.5 mg，除FA出现δ15N和δ34S分馏外，同位素结果稳健无显著偏差。通过多同位素方法解析得出，西部地表水的DOM主要源自高地植物，东部湖水受肥料和粪便影响，而Padra工业区地下水受到了工农业及生活废水的污染。该方法为深入理解水生生态系统污染物的分布与运输过程提供了有价值的科学依据。