综述：关于紫外-可见分光光度法在地表水溶解有机物分析中应用的综述

《Ecological Frontiers》：A review on the application of ultraviolet-visible spectrophotometry for analysis of dissolved organic matter in surface water

　　

摘要

溶解性有机物质（DOM），尤其是其定量指标溶解性有机碳（DOC），在水生环境中的碳循环、金属结合、光线衰减以及消毒副产物的形成过程中起着关键作用。紫外-可见光谱法是一种快速、经济且无损的技术，可用于测量水生环境中的DOM。此外，还有多种数据分析技术，如光谱斜率指标、吸收比、高斯分解、导数光谱和荧光光谱等。这些方法为评估不同海洋水体中的DOC提供了全面的框架。准确了解DOC的生态功能及其在水质管理中的作用至关重要。本综述将紫外-可见光谱法中的传统吸光度指标与新兴分析技术相结合，揭示了导数分析、光谱指数和分解方法之间的相互作用。这种整合有助于解释DOM的组成，提高对其来源的辨识能力，并便于在不同系统之间进行比较。本文还介绍了DOM研究中的紫外-可见光谱法及相关分析数据，探讨了如何在稳定和变化的环境中最大程度地利用这些方法。我们发现，由于各种水环境和地理区域中分析方法应用不足，导致方法上存在缺陷、标准化面临挑战，且在解读生态状况时存在局限性。为了充分利用紫外-可见光谱分析，在此背景下，公开共享光谱数据以及测量条件，如水类型、化学条件、波长和分析方法，对于实现全球比较并加深对不同水系统中DOM的了解具有重要意义。

引言

溶解性有机物质（DOM）是水生生态系统中的重要组成部分[1]。它既是反应介质，也是碳和营养物质的储存库，其来源包括自然过程，如植物分解、微生物代谢、土壤淋溶，以及人类活动，如农业径流和废水排放[2]。DOM会通过与重金属和有机污染物结合而影响表层水中的光线穿透，这不仅会影响人类饮用水的处理过程，还会在氯化处理过程中产生消毒副产物（DBPs）[3]。鉴于这些生态和健康方面的影响，准确高效地表征DOM对于环境评估和水质管理都极为重要。

紫外-可见光谱法因其易于使用、易获取且成本低廉，成为表征DOM的最具前景的技术之一[4]。有色溶解性有机物质（CDOM）的吸光度光谱可帮助了解其浓度、组成、分子量、芳香性程度及反应性[5]、[6]。数十年来，紫外-可见光谱法已不再局限于简单的吸光度测量[7]。诸如光谱斜率分析、特定紫外吸光度（SUVA）、吸光比指标（如A254/A365）、高斯反卷积和二阶导数光谱等分析方法，显著提升了检测不同DOM特性的能力[8]、[9]。SUVA₂₅₄是一个简短的实用数值，可表明水中有机碳有多少可能来自芳香族（植物来源、腐殖质）物质[10]。该值是通过254纳米处的紫外吸光度除以溶解性有机碳（DOC）浓度得到的[11]。较高的SUVA值意味着含有更多芳香族、较老的植物来源物质；较低的SUVA值则表明物质更为新鲜，可能为蛋白质类或微生物来源。这种方法及其常见解读方式源于Weishaar及其同事的基础研究[12]。相比之下，含有大量污水或新鲜生物废物的水体通常具有较低的SUVA值，因为这类污水中的DOM富含在254纳米处吸收能力较弱的蛋白质和脂肪族化合物[13]。当这些紫外-可见光谱方法与荧光激发矩阵光谱法等手段结合使用时，就能更全面地了解DOM的来源及其在水生环境中的相互作用[14]。紫外-可见光谱法在市政水处理领域也受到了重视[15]。例如，[10]、[16]展示了在线紫外-可见传感器在监测用于微生物消毒的溶解臭氧以及饮用水处理过程中的有机碳方面的应用价值，体现了其在工艺控制中的优势。在那些由于水文事件、生物活动或污染输入而导致DOM组成和浓度迅速变化的动态环境中，这些应用尤为重要[17]。

有研究者如[11]、[18]、[19]、[20]通过紫外-可见光谱测量，通过分析吸收比和光谱斜率变化，来评估各种有机溶解物质的浓度，包括溶解性有机碳（DOC）、有色溶解性有机物质（CDOM）、木质素含量、溶解性有机物质的中性成分以及各类污染物。科学家们如今能够了解分子的尺寸、芳香性、DOM的腐殖化程度及其形成途径。随着时间推移，不同的基于紫外-可见光谱的方法和指标被应用于不同的研究场景中[21]。例如，吸收系数和光谱斜率等方法多用于天然水研究，而吸光度和差分吸光度方法则更常用于水处理或人工系统中[22]。这种差异使得很难在所有情况下采用统一的方法。即便有了这些改进，仍存在一些问题，比如测量结果的差异性、颗粒物和无机离子的干扰，以及缺乏标准化的校准方法[23]。

此外，许多现有的紫外-可见光谱数据集并未公开，这限制了人们获取重要分析数据的机会，而这些数据本应用于开发创新模型[24]。除了水质研究之外，紫外-可见技术还广泛应用于从土壤系统到农田的DOM研究领域[25]。在覆盖有覆盖物的土壤中，吸光度光谱可用来替代反映DOM动态、芳香性和氮含量的其他指标[26]。图1展示了不同覆盖方法对不同深度土壤中溶解性有机物质（SDOM）的紫外-可见吸光度的影响。在土壤表层，所有处理组的吸光度曲线都比较平滑，其中CK组的DOM含量最高，其次是GM组，再然后是FM组。在正常层，FM组的DOM含量明显低于CK组和GM组；而在最深层（40–60厘米处），GM组和FM组的DOM含量均显著低于CK组[27]。

在河流汇合区，紫外-可见光谱法有助于了解物理化学反应过程，从而更准确地预测溶解性有机碳（DOC）、化学需氧量（COD）、硝酸盐和悬浮固体含量[28]、[29]。目前，大多数紫外-可见分析技术，包括导数统计法和分解法，都尚未得到充分应用。这凸显出在这一领域开展更多研究和创新的必要性[30]。本综述旨在总结各类方法中的关键分析数据，以及紫外-可见光谱法及其相关数据分析技术在DOM研究中的创新应用。尤其是当这些技术与EEM-PARAFAC等荧光方法结合使用时，能极大提升追踪DOM来源、分析其加工过程中的变化以及在不同水系统中反应性的能力[31]、[32]。此外，本综述还探讨了应对潜在干扰、优化数据处理以提高可靠性并便于不同研究之间进行有效比较的方法。

章节节选

紫外-可见光谱区域的吸光度

紫外-可见光谱法是通过测量光线穿过水介质时，水及其杂质对紫外线和可见光的吸收程度来工作的[33]。水中的颗粒物也会导致光线散射。水柱会分别吸收200至400纳米范围和400至700纳米范围内的紫外可见光[34]。当光线穿过含有溶解性有机物质的水体时，某些被称为发色团的化学物质会在特定波长处吸收光线

吸光度与吸收系数

当光线以特定波长透过水时，部分光线会被水吸收。该波长下被吸收的光线量被称为水介质的吸光度[41]。当光线进入水后，能够透过的入射光比例称为透射率[3]。因此，吸光度也可视为透射率的倒数[47]。吸光度还可以通过光学路径长度转换为纳皮尔形式

紫外-可见光谱法在水质和DOM分析中的方法应用

紫外-可见光谱法在DOM研究中至关重要，尤其是在环境科学和水生科学研究领域[129]。为了了解不同海洋系统中DOM的含量、来源及其行为特征，紫外-可见光谱法已被证明是一种可靠的分析工具[129]。它在水质管理中也日益重要，已成为常规监测方法、在线传感器系统以及各类水体——包括饮用水和废水——的监管评估中的标准化方法

紫外-可见光谱测量的区域及全球应用

利用紫外-可见光谱法研究并监测DOM是全球范围内的重要研究方向。这一领域的关注主要源于DOM对水质的显著影响、其在碳循环中的作用，以及对生态系统健康的整体影响。通过分析DOM，研究人员能够更好地理解这些重要的环境过程及其相互关联[137]、[138]。

用于DOM分析的紫外-可见光谱法的经典指标概述

表8汇总了用于分析溶解性有机物质（DOM）的常见紫外-可见光谱指标。表格列出了这些指标的波长范围、含义、高低值对应的特征，以及它们在研究DOM来源、组成、分子特性、降解过程及其在环境中的行为等方面的主要应用[3]、[82]、[176]、[177]、[178]、[179]、[180]、[181]、[182]、[183]、[184]、[185]、[186]、[187]、[188]、[189]、[190]。

面临的挑战、机遇及未来研究方向

自20世纪初Arnold O. Beckman及其团队在美国发明紫外-可见分光光度计以来，这项分析技术经历了多次改进和创新。它也被证明在分析水中的DOM方面非常有效。然而，该技术仍存在一些局限性和需要解决的问题。其中一项重要的局限性就是悬浮颗粒的存在会对紫外-可见吸光度测量结果产生影响，此外还存在其他变量因素的影响

结论

本综述研究了紫外-可见（UV-Vis）光谱法在分析地表水中溶解性有机物质中的应用。事实证明，紫外-可见光谱法是一种极具价值的分析工具，因为它操作快速、成本低廉、无损，且适用于广泛的水生环境。它能快速提供有关DOM浓度、组成和来源的信息，因此非常适合用于监测和评估水质

CRediT作者贡献说明

Benjamin Ishwah：写作——综述与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。Maria Andrianova：写作——综述与编辑、研究指导、方法设计、实验研究、概念构建。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的财务或个人利益关系。

Benjamin Ishwah|Maria Andrianova

俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学土木工程与应用生态学系环境工程与监测实验室，地址：Polytechnicheskaya Street, 29 letter B, 195251圣彼得堡