《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Molecular signatures of electrochemically reduced peatland dissolved organic matter resolved by liquid chromatography Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry
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溶解有机物（DOM）在泥炭地碳循环中扮演核心角色，其中缺氧条件、氧化还原过程和热力学因素影响碳的保存。DOM通过醌类和其他氧化还原活性基团介导电子转移反应，显著影响电子和碳平衡。然而，其电子接受能力和电子给予能力的分子基础仍未得到充分解析。在此，本研究将来自三
溶解有机物（DOM）在泥炭地碳循环中扮演核心角色，其中缺氧条件、氧化还原过程和热力学因素影响碳的保存。DOM通过醌类和其他氧化还原活性基团介导电子转移反应，显著影响电子和碳平衡。然而，其电子接受能力和电子给予能力的分子基础仍未得到充分解析。在此，本研究将来自三个泥炭地的DOM进行温和的直接电化学还原（DER；相对于Ag/AgCl为?0.59 V），并通过液相色谱-傅里叶变换离子回旋共振质谱（LC-FT-ICR MS）进行分析。在DER前后测定的溶解有机碳浓度表明，还原过程中碳的损失极小。相反，电化学还原导致FT-ICR MS衍生的总离子计数在泥炭样品中显著下降，相对于未还原的DOM最高可达30%，而整体分子式空间基本保持不变。信号强度的变化与双键当量（DBE）呈负相关，表明更不饱和的分子式优先受到DER影响。相比之下，DBE–O（DBE减去氧原子数）和修正芳香性指数（AImod）与强度变化的关系较弱，表明DBE依赖性反映的是更广泛的不饱和相关响应，而非特定官能团的直接还原。在泥炭DOM中，研究人员发现DBE的平均变化在?0.23至?0.62之间，这与整体电子接受能力（EAC，1000至1600 μmol e? (gC)?1）相关。研究人员确定分子不饱和度（而非极性或氧含量）是DOM氧化还原活性的重要描述符，并证明将LC-FT-ICR MS与批式电解直接耦合能够解析与整体氧化还原行为相关的分子模式。
**研究背景与问题**
泥炭地仅覆盖地球陆地表面约3%–4%，却储存了近三分之一的全球土壤碳库，其长期淹水和缺氧条件显著减缓有机物分解，促进碳积累与稳定。溶解有机物（DOM）作为泥炭地碳循环中活跃且敏感的部分，极易被微生物利用并输出至水体，深刻影响碳循环与气候动态。然而，当前对缺氧条件下泥炭地DOM组成与反应性的分子水平理解仍十分有限，主要障碍在于其复杂异质组分的准确分离与表征。DOM中含有醌类、酚类等氧化还原活性基团，介导可逆电子转移过程，调控微生物呼吸、碳矿化途径、CO?排放及甲烷生成，是泥炭地生物地球化学的关键驱动力。尽管已有湿化学还原（如硼氢化钠处理）或催化加氢等方法用于探究这些基团，但它们多在非环境条件下进行，对电子转移动力学和定量电子平衡的控制有限。电化学方法虽能定量探测DOM的氧化还原特性，但传统非介导还原面临电子转移动力学慢的问题，而介导技术虽环境相关，却缺乏分子级分辨率。为填补这一空白，本研究将直接电化学还原与液相色谱-傅里叶变换离子回旋共振质谱（LC-FT-ICR MS）联用，旨在解析DOM氧化还原活性与分子组成变化之间的关联。
**研究内容与意义**
研究人员选取来自三个不同泥炭地（德国Sosa河支流、德国Goethemoor沼泽、瑞典Krycklan流域）的DOM样品，在温和的直接电化学还原条件（DER，?0.59 V vs. Ag/AgCl）下处理，并通过LC-FT-ICR MS分析还原前后的分子特征。研究假设：（1）电化学还原诱导LC-FT-ICR MS信号响应发生可量化的变化；（2）这些变化具有分子选择性而非均匀分布，且分子不饱和度是主要响应因子。研究证实了DER与LC-FT-ICR MS联用能够揭示DOM氧化还原诱导的分子转化，为识别泥炭地DOM氧化还原活性的分子代理指标提供了新途径。论文发表在《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》。
**关键技术与方法**
主要技术方法包括：直接电化学还原（DER）装置（三电极体系：网状玻璃碳工作电极、铂对电极、Ag/AgCl参比电极，在0.2 M KH?PO?缓冲液、pH 7.0、N?气氛下于?0.59 V进行恒电位电解）；液相色谱-傅里叶变换离子回旋共振质谱（LC-FT-ICR MS，采用C18反相色谱柱、水-甲醇梯度洗脱，负离子模式电喷雾电离，12特斯拉FT-ICR MS）。样本来源：SO（德国Sosa）、GT（德国Goethemoor）、KR（瑞典Krycklan），均为高浓度DOM（37–43 mg L?1）的泥炭系统。数据处理采用分段色谱（9–21 min，每1 min一段）和分子式分配（C?–??、H?–???、O?–??、N?–?、S?–?），并计算相对强度变化（log?(T?/T?)）。
**研究结果**
- **直接电化学还原方法的验证**：以Suwannee River富里酸（SRFA，50 mg L?1）及模型醌类化合物HNQ和AQDS为参照，在DER条件下测得SRFA的电子接受能力（EAC）为299±28 μmol e? (gC)?1，与文献值一致；HNQ和AQDS的EAC分别为2121和6770 μmol e? (gC)?1，表明小分子醌类可贡献大部分化学计量电子接受能力，但受氧化还原平衡和动力学限制。
- **电化学还原过程中DOC浓度的一致性**：DER前后DOC浓度仅轻微下降（SO ?6%，GT ?2%，KR ?3%），表明无显著碳损失，证实电化学处理主要改变DOM氧化还原状态而非大量去除有机碳。
- **不同泥炭地DOM的电子接受能力**：通过计时安培分析，GT、KR和SO的EAC分别为1112、1132和1640 μmol e? (gC)?1，SO显示出更高的氧化还原活性基团密度。这些值落在文献报道的腐殖物质范围内，支持泥炭DOM具有参与生物地球化学电子转移的显著能力。
- **还原DOM的LC-FT-ICR MS特征**：DER后总离子色谱（TIC）强度显著下降（KR >40%，平均30%），且分子式分配的总强度也相应降低（?44%），表明电化学还原导致可电离离子强度系统性下降，但色谱保留模式相似，说明极性未发生显著改变。SRFA在较低电位下仅下降16%，而泥炭DOM因分子多样性更高，响应更强。
- **DOM还原的分子特征**：DER引起强度加权平均DBE一致降低（?0.9至?1.2），且该变化在色谱洗脱剖面中普遍存在。共享分子式分析表明，大部分DBE响应源于强度再分配而非分子式组成剧烈变化。EAC与ΔDBE之间呈正相关（KR ?0.62，SO ?0.39，GT ?0.23，SRFA ?0.46），但ΔDBE幅度大于理论计算值（ΔDBEeff），反映电离效率和结构异构体影响。共享公式占主导（55%–71%），且T?唯一公式与T?唯一公式和共享公式在H/C vs O/C空间重叠，表明DER在已有分子式空间内调整而非生成新化合物类别。
- **DER活性的分子驱动因子**：在共享公式中，81.2%的公式显示log?(T?/T?)为负值，且DBE>10的公式比DBE≤10的公式具有更显著的强度下降（Wilcoxon秩和检验，p<0.001）。DBE与强度变化呈弱但显著相关（Spearman ρ=?0.354，R2=0.108），而O/C比、DBE–O和AImod的关系更弱，表明分子不饱和度（而非单一氧含量或芳香性）是主要响应描述符，但不足以唯一解释所有变化。
**总结与结论**
研究表明，温和的直接电化学还原可在LC-FT-ICR MS信号分布中诱导可重复的分子级变化，这些变化与整体电子接受能力相关。DER未导致DOM分子式空间发生重大整体转变，但引起现有分子集合内可测量的、可重复的偏移。强度加权平均DBE的降低以及较高DBE公式的优先响应，支持分子不饱和度与电化学响应之间的关联。然而，DBE、DBE–O和AImod等描述符不能唯一识别特定还原官能团，未来需结合FTIR、NMR、串联质谱或稳定同位素标记等方法。此外，需进一步研究DER产生的分子特征是否与自然泥炭地缺氧条件下的还原途径一致，以评估其作为氧化还原驱动转化机理模拟的适用性。
**研究结论翻译**：
本研究证明，温和的直接电化学还原在LC-FT-ICR-MS信号分布中诱导了可重复的分子级变化，且这些偏移与整体电化学行为相关联。所有样品中，DER导致质谱强度显著下降，而DOC浓度变化极小，表明无显著碳损失。因此，观察到的信号下降最好解释为还原诱导的分子式相对信号强度变化。DER未引起DOM分子式空间的整体重大转变，但在现有分子集合内产生了可测量且可重复的偏移。强度加权平均DBE在DER后一致降低，且ΔDBE与整体EAC呈正相关，表明在应用的电化学条件下，不饱和相关分子信号与整体电子吸收之间存在联系。在共享分子式中，较高DBE的公式优先受DER影响。在测试的分子描述符中，DBE与相对强度变化关联最佳，而DBE–O、AImod和O/C关系较弱。这些发现表明，分子不饱和度是电化学响应的重要组成描述符，但并非控制公式级强度变化的唯一因素。因此，观察到的响应可能反映了更广泛的不饱和相关分子信号响应，包括但不限于醌类结构。然而，LC-FT-ICR MS无法明确鉴定DER中转化的还原官能团或结构基序。需要补充结构方法如FTIR、NMR、串联质谱或稳定同位素标记/H–D交换实验来识别涉及的特定官能团和途径。一个悬而未决的问题是，受控DER下产生的分子特征与泥炭地环境中自然还原途径产生的特征相比如何，后者中电子转移由微生物介导和矿物相关氧化还原过程主导。未来研究应检验这里观察到的还原模式在自然缺氧条件下是否持续或转变，以阐明DER作为复杂泥炭地DOM中氧化还原驱动转化机理模拟的程度。
