叶层中未被重视的硫基团决定了DOM腐解过程中铜和镉的不同命运

《Journal of Hazardous Materials》：Overlooked sulfur moieties in leaf litter drive the divergent fates of Cu and Cd during DOM humification

　　摘要：叶片残体在早期腐解过程中会产生动态的溶解性有机质，这类有机质能够调控土壤-水界面处重金属的移动性，但在缺氧条件下一氧化硫含量的作用机制仍不明确。本研究采用FT-ICR MS和荧光光谱技术，追踪了溶解性有机质的演变过程及其与铜(II)和镉(II)的相互作用。新鲜溶解性有机质以类蛋白质成分为主，且与脂肪族氮/硫化合物相关；而经过腐解后的溶解性有机质则富含类腐殖质成分，这类成分与芳香族及木质素类似结构的硫分子相关。随着腐解进程的推进，铜(II)的络合常数从3.46上升至5.38，这一变化是由于芳香族腐殖质结构中还原态硫化合物（氧硫比小于5）的积累所致。这些硫化合物可作为氧化还原活性中心，促使铜(II)被还原为铜(I)，还原率可达82.4%，随后还会发生脱硫反应，在石英柱模拟实验中，铜倾向于形成硫化铜并不可逆地固定在其中。相比之下，镉(II)的络合亲和力相对较低（logKM约为3.0–3.3），主要与类蛋白质位点结合。分子及传输分析表明，镉(II)主要与氧化态的硫/氧位点发生反应并促进物质凝聚，而新鲜溶解性有机质更有利于镉的滞留，腐解后的溶解性有机质则能增强铜的固定作用。这些研究结果揭示了腐解过程对金属命运的不同影响，有助于预测土壤-残体界面处重金属的稳定性及生态风险。

引言：人类活动，如长期使用农用化学品以及采矿作业，导致全球范围内土壤及邻近水体中重金属的释放量显著增加。在农业区，地表径流和排水水中的铜浓度通常在数十至数百微克/升之间，而镉的浓度虽然绝对值较低，但也常常在1-10微克/升左右，这一水平已接近或超过许多环境质量标准[1]。在中国，黄河最大支流渭河中的镉和铜浓度分别介于0.1-0.5微克/升和2.4-10.1微克/升之间[2]。此外，工业排放物和气溶胶沉降的共同作用可能进一步影响重金属的环境背景浓度，尤其是在城市及周边工业区，重金属浓度会出现局部升高现象[3]、[4]、[5]、[6]。不过，这些重金属的移动性和持久性在很大程度上受多种环境因素调控，比如pH值、氧化还原电位、与矿物的静电相互作用，以及与溶解性有机质的络合作用，尤其是植物残体分解过程中产生的各类有机配体[7]。

森林残体是森林生态系统中的重要组成部分，在亚热带、温带和北方地区，它是土壤碳库的重要天然来源。由于全球针叶林和阔叶林的面积已达3114万平方公里，占陆地总面积的20.91%[8]，因此这些生态系统中的残体分解在调节天然有机质的形成与演化过程中起着关键作用。这一过程涉及微生物群落和土壤生物对植物物质的分解，将多种有机化合物释放到土壤和水体环境中，在残体腐解的早期阶段，就有30-60%的残体碳以溶解性有机质的形式通过淋溶流失[9]、[10]。残体在40天以内的早期分解会导致溶解性有机质的分子组成发生动态变化，通常是从易分解的、富含脂肪族的物质转变为难以分解的、富含芳香族的腐解产物，同时分子也会从还原态向氧化态转变。在含水量较高的密集残体层中，微生物分解和温和的生物发酵会持续消耗氧气，而残体结构和高含水量又会限制氧气的扩散[11]、[12]。因此，在残体层内部以及残体层与表层土壤的交界处，很容易形成局部低氧甚至短暂的无氧微环境。这类缺氧微环境在湿润的亚热带森林地表系统中较为常见[13]。光谱学研究以及对植物提取物的研究不断追踪着这一过程[14]：例如，Hur等人[15]观察到，在14天的微生物培养过程中，富里酸和类腐殖质物质的荧光强度有所增强；Klotzbücher等人[16]也发现水溶性有机物质中的芳香族化合物逐渐增多。此外，植物叶片提取物还被证明能够还原贵金属离子，如银离子和金离子[17]、[18]。这种还原能力源于植物中大量存在的抗氧化化合物，比如多酚和黄酮类物质，它们含有羟基和酚羟基功能团[19]。不过，在腐解过程中，这些还原态化合物会逐渐氧化为醌类结构和羧酸[20]。这种时间上的变化会从根本上改变淋溶出的溶解性有机质中各关键功能团的含量和可及性，进而不可逆地改变其结合位点的分布[14]。具体而言，在不同的腐解阶段，溶解性有机质可以含有不同的功能团，比如羧基、羟基、酚羟基、氨基（-NH2）。去质子化的羧基（-COO-）可以通过双齿配位与二价/三价金属离子形成稳定的内圈络合物，比如锌离子、铬离子、铜离子、镉离子、六价铬离子等[21]；而酚羟基则更倾向于与铜离子和铬离子形成单齿络合物[22]。相比之下，多糖和脂质组分中的脂肪族羟基（pKa大于12）的结合常数比酚羟基低1-2个数量级[23]、[24]，这主要是由于空间位阻以及去质子化过程中存在较大的能量障碍。此外，含有氨基的溶解性有机质结构还可以通过孤对电子的捐赠，与钼离子、铬离子、锌离子和镍离子形成强场络合物[25]。虽然溶解性有机质是调控土壤含水层中金属迁移的主要因素，但某些过渡金属也会反过来深刻影响溶解性有机质的形态。铜离子、铁离子、六价铬离子等金属可以作为电子受体或桥联剂，引发有机基质中的氧化反应或分子聚合作用[26]，因此金属与溶解性有机质的络合是一个相互关联的演化过程。根据反应条件的不同，这些过程可能导致有机碳的氧化降解[27]、[28]，或者使小分子有机物质聚合形成更大、更难分解的结构[29]、[30]、[31]。Li等人[32]指出，后一种途径对于金属与溶解性有机质的聚集以及相分离尤为重要。例如，Zhou等人[33]证明，溶解性有机质的氧化还原特性会影响其与铁的相互作用，从而加速铁离子的还原以及有机分子的氧化。不过，Zhong等人[26]进一步提出，这种反应性具有高度选择性，取决于溶解性有机质的组成和金属的种类。虽然一些具有氧化还原活性的金属，比如铁离子、六价铬离子，可以通过脱羧反应引发不同的分子变化，比如生成二氧化碳、甲酸、乙醛等物质，但其他金属在引发这类结构变化时的表现则可能存在差异。尽管已经取得了一些进展，但大多数研究都集中在高度腐解的土壤有机质上，或者研究高价铁离子/六价铬离子与溶解性有机质的相互作用[34]。关于由残体早期动态分解所产生的溶解性有机质如何与铜和镉相互作用的详细机制研究仍然较少。

残体主要由纤维素和木质素构成，这些物质在土壤中会发生淋溶，形成含有单宁类物质、木脂素/富含羧基的环状分子以及含杂原子的分子的溶解性有机质[35]。虽然近年来人们已经认识到含氮分子具有更强的与重金属络合的能力[36]、[37]、[38]，但含硫分子的关键作用却一直未被充分重视。从生物学角度来看，硫是构成植物叶片结构的重要元素。大约一半的生物硫会被用于合成硫奎诺糖二酰甘油，这是一种广泛存在于叶绿体类囊体膜中的硫脂。在残体分解过程中，这些含硫代谢物在环境中具有很强的持久性。Castro等人（2023年）[40]将这种现象称为自然分子多样性的“传承与积累”，意味着这些来自植物的硫特征可作为淋溶出的溶解性有机质中含硫功能团的优质前体。还有研究表明，具有共轭π结构的溶解性有机质结构有利于硫的整合，从而生成巯基，这类基团对软酸金属，比如汞离子、银离子，具有很高的亲和力[41]。从功能上看，这些传承下来的硫分子对于重金属的固定起着关键作用。在低氧条件下，还原态的硫分子可以将铜转化为不溶性的硫化铜，从而显著降低铜的生物有效性[42]。同样，模仿活植物中的解毒机制，比如谷胱甘肽的络合作用，溶解性有机质中的富硫配体可以通过强络合作用有效固定镉。然而，对于在复杂的溶解性有机质矩阵中发生的这种特定硫转化过程，以及它们在重金属相互作用中的作用，目前还缺乏分子层面的深入研究。

在本研究中，我们在模拟的低氧条件下，系统比较了铜(II)和镉(II)与由叶片残体早期腐解产生的三阶段溶解性有机质的相互作用。本研究的核心目标是阐明含硫分子的结构-活性关系。研究设计包括：（1）利用FT-ICR MS技术绘制溶解性有机质的分子特征图谱，并分析金属结合后这些特征的具体变化；（2）通过柱实验评估溶解性有机质腐解过程对金属移动性的影响；（3）通过多维度相关性分析，揭示硫功能团驱动铜(II)和镉(II)络合与转化的机制。这项研究为识别那些能够决定分解中的生物质系统中重金属环境风险的特定含硫分子标记提供了新的见解。

片段一：溶解性有机质的提取
中国上海佘山国家森林公园采集了叶片残体。该公园的主要树种包括本地的栎树属植物，比如栓皮栎和白栎，还有樟树、榆树以及其他阔叶树种，此外还有大量的人工栽培竹子，这些竹子也为残体库做出了重要贡献。研究人员使用了由疏水性过滤织物制成的2.5米×2.5米的网状收集器，用于收集新落下的叶片残体。

片段二：叶片残体分解早期产生的溶解性有机质的动态分子演变
为了研究模拟条件下的叶片残体腐解动态，研究人员监测了低分子量溶解性有机质的释放情况。在模拟分解过程中，叶片残体浸出液中的总有机碳含量显著上升，初始浓度为10.1±1.0毫克/升，而经过早期腐解后的样本中总有机碳浓度则上升到了15.7±1.2毫克/升。EEM光谱分析（见图1a–c）显示，随着时间的推移，在0-40天内，类腐殖质的荧光成分逐渐积累。PARAFAC分析将这些EEM光谱分解为三种不同的成分。

结论：叶片残体分解产生的溶解性有机质是土壤和地表水中碳库的重要组成部分，其在腐解过程中的结构演变会对重金属的地球化学行为产生深远影响。作为从植物残体中传承而来的关键分子特征，含硫分子是调控溶解性有机质与重金属相互作用的重要活性成分。本研究系统阐述了溶解性有机质分子分馏的不同机制，以及这些机制对重金属行为的影响。

环境意义：叶片残体分解产生的溶解性有机质能够强烈调控土壤中重金属的移动性和转化过程。本研究分析了不同腐解阶段的铜和镉与这种溶解性有机质的相互作用，重点研究了富含硫的分子演变过程。腐解过程形成了不同的分子序列，使得铜和镉根据它们的氧化还原性质和络合行为发生分离。在低氧条件下，早期到中期分解过程中释放出的还原态低氧硫分子可作为氧化还原活性物质，发挥重要作用。

资金支持：本研究得到了上海市农业科技创新项目的资助，项目编号为V2025002。

作者贡献说明：王乐轩：负责可视化处理和软件操作；张新超：负责撰写初稿、开展研究工作以及进行正式分析；戴超月：负责验证研究结果以及数据整理工作；裴媛媛：负责软件操作；龚蒙：负责验证研究结果以及数据整理工作；刘晨曦：负责数据整理工作；顾琳：负责文章的审阅与编辑工作以及项目监督；张汉林：负责研究方法的设计以及资金申请工作。

利益冲突声明：作者们声明自己没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

致谢：我们感谢上海科技大学仪器分析中心在XRD分析方面给予的支持。

作者名单：张新超|王乐轩|戴超月|龚蒙|裴媛媛|顾琳|刘晨曦|张汉林
单位：中国上海市200093，上海科技大学环境与建筑学院