中国亚热带喀斯特水库消毒副产物时空形成的多污染物驱动因素

《Journal of Environmental Sciences》：Multi-Pollutant drivers of spatiotemporal disinfection by-product formation in a subtropical karst reservoir, China

　　

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  干湿交替主导亚热带喀斯特水库中污染物的异质性。
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  DOM 是主要的 DBP 前体物，其中类腐殖酸和类酪氨酸组分发挥着关键作用。
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  含氮农药和喹诺酮类化合物驱动特定化合物的 HAA 和 HNM 形成风险。
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  PLSR 模型能准确预测 DBP，其中亚硝胺类化合物的 R² 高达 0.99。
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  传统水处理工艺不足以确保安全；臭氧 - 活性炭工艺可确保饮用水安全。

引言

确保安全的饮用水供应是全球性挑战，在喀斯特地区尤为严峻，该地区过滤能力低且管道流快速，使得含水层极易受到污染。这些含水层为近四分之一的世界人口提供饮用水（Kalhor et al., 2019）。其以裂隙 - 管道为主的双孔隙水文地质结构产生了与非喀斯特系统根本不同的污染物运移动力学，并导致雨季期间快速、脉冲式的迁移和旱季期间的水文地球化学富集，从而形成独特的季节性水文节律（Wang et al., 2025）。结合强烈的人类活动影响，这种节律导致多种污染物之间关系复杂，包括溶解性有机质（DOM）、重金属、农药和抗生素（Li et al., 2023; Ji et al., 2025）。其中，DOM、农药和抗生素是消毒副产物（DBP）的重要前体物，对饮用水安全构成直接威胁，而重金属则通过络合反应和/或氧化还原过程间接调节 DBP 的形成（Krasner et al., 2006; Guo et al., 2024）。因此，评估饮用水处理工艺在去除这些前体物和控制 DBP 形成方面的有效性，对于确保此类脆弱系统中的水安全至关重要。

氯化消毒是控制水源性传染病传播最广泛使用的技术。然而，水中的天然 DOM 和人为污染物在处理过程中与氯反应形成 DBP，其中许多已被记录具有潜在的致癌、致畸和致突变作用（Yu et al., 2021）。在水系统中，DOM 无处不在，通常由源自陆地和水生环境的复杂、异质性有机化合物组成（Ma et al., 2024）。此外，季风气候下的季节性水文波动驱动 DOM 的分子量分布、官能团组成和反应性的动态变化，从而调节其 DBP 形成潜力（Cui et al., 2021）。除了 DOM，痕量人为污染物（例如各种农药和抗生素）也可能在氯化过程中参与 DBP 的形成（Pramanik et al., 2008）。此外，由于强烈的水 - 岩相互作用，重金属普遍存在于喀斯特水中，这些重金属可能在氯化过程中与 DOM 络合或参与氧化还原反应，从而进一步复杂化 DBP 的形成途径（Wang et al., 2023）。这些喀斯特源水中复杂的多污染物相互作用和独特的 DBP 形成模式也给常规饮用水处理工艺带来了巨大挑战。因此，评估不同处理配置的去除性能并提出有针对性的优化策略，是保障喀斯特源饮用水微生物安全和化学质量的关键前提。

广西是中国最具代表性的喀斯特地区之一，大旺滩水库（DWT）将典型的喀斯特水文特征与亚热带季风气候驱动的显著干湿季交替相结合，产生了高度复杂的污染物运移和转化机制（Han and Song, 2020）。此前对该水库的研究主要集中在 DOM 的荧光光谱特性上，证实了微生物代谢物和类腐殖质物质构成了其主要的荧光部分（Li et al., 2024）。然而，这种单一维度的研究视角忽视了喀斯特水体的一个关键环境特征：溶解性有机质（DOM）经常与包括重金属、农药和抗生素在内的多类污染物共存。这些污染物之间的络合、竞争吸附和共代谢降解过程可以显著改变个别污染物的反应性，从而调节其作为消毒副产物（DBP）前体的潜力。目前，缺乏对多种共存污染物综合环境行为及其对不同 DBP 类别形成的协同效应的系统理解。此外，季节性水文制度如何调节多种污染物的耦合运移和转化，并差异化驱动各种 DBP 类型的形成模式，也是一个有待阐明的核心科学问题。

本研究以中国西南部的典型喀斯特饮用水水源地大旺滩水库（DWT）为对象，该水库是南宁市的第二饮用水水源地，在保障区域城乡饮用水安全方面发挥着关键作用。该水库近期已被我们研究组进行了全面研究，通过全年现场监测和多种光谱技术分析，系统表征了 DWT 中 DOM 的时空分布模式、荧光组分组成和来源归因（Huang et al., 2025）。这项前期工作鉴定了四种主要的 DOM 荧光组分，阐明了微生物来源的类腐殖质物质在 DWT 中的主导地位，并揭示了主体 DOM 库强烈的自生性和腐殖质特征。通过全年系统的现场采样和实验室分析，本文描述了包括 DOM、重金属、农药和抗生素在内的污染物的时空运移特征，阐明了季节性、水文驱动的污染模式，旨在识别 DBP 的关键前体物或不同类别及其驱动因素。此外，研究了多种环境变量与 DBP 形成之间的定量关系，并评估了各种饮用水处理工艺在控制 DOM 水平和 DBP 形成方面的有效性。此外，建立了该喀斯特水库系统中 DBP 与多种污染物之间的联系，并用于支持开发针对脆弱喀斯特水文系统的 DBP 形成风险预测框架，从而为全球类似环境的饮用水安全管理提供科学依据。

章节摘要

试剂

本研究所用的所有化学试剂均为商业可获得的最高纯度，水溶液由 Millipore 公司（美国）的 Milli-Q 超纯水系统产生的超纯水（电阻率 > 18.2 MΩ·cm）制备。DBP 标准品，包括三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）、卤乙酰胺（HAMs）、卤乙腈（HANs）、碘代三卤甲烷（I-THMs）、碘代卤乙酸（I-HAAs）和卤硝基甲烷（HNMs），均为高性能

水样基本质量分析

图 3 展示了大旺滩水库样品物理化学参数的时间变化。所有参数均表现出与亚热带季风气候主导的喀斯特地区水文节律密切相关的明显季节模式。

DOC 和 UV₂₅₄，这两个是与 DBP 形成直接相关的关键指标（Liu et al., 2025），显示出由喀斯特水文过程驱动的显著季节性波动。DOC 浓度

结论

本研究系统调查了共现污染物（DOM、重金属、农药、抗生素）在中国西南部典型喀斯特饮用水水库中的时空迁移，旨在揭示脆弱喀斯特水文系统中由季节性水文节律调节的 DBP 形成的协同驱动机制。季节性干湿交替是控制水库中污染物异质性的主要机制。

未引用参考文献

（Li et al., 2025，中华人民共和国国家卫生健康委员会；国家市场监督管理总局，2022 年，美国环境保护署，2005 年，美国环境保护署，2011 年，世界卫生组织，2022 年）

CRediT 作者贡献声明

黄忠恒: 写作 - 初稿，调查。莫艳梅: 调查。贺月琴: 项目行政。吕金容: 数据整理。曹玉平: .刘敏: 方法论。刁开圣: 监督。Bernard A. Goodman: 写作 - 审阅与编辑。江彩芳: 资源。董慧雨: 写作 - 审阅与编辑。刘少刚: 写作 - 审阅与编辑。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 广西科技计划（编号：Guike AB24010135, LT2600640009, Guike AB24010225）、中国科学院战略性先导科技专项（编号：XDB0750400）、广西高水平创新团队及杰出学者计划（广西教育厅通知 [2020] 第 6 号）、广西研究生教育创新项目（编号：YCBZ2023114）、南宁市科学研究与技术发展计划（编号：ZC20223238）以及

黄忠恒 | 莫艳梅 | 贺月琴 | 吕金容 | 曹玉平 | 刘敏 | 刁开圣 | Bernard A. Goodman | 江彩芳 | 董慧雨 | 刘少刚