【视点】北京师范大学珠海校区王圣瑞、倪兆奎、周春羊团队：人类活动影响下河口沉积物DOM、DON和DOS分布格局、转化特征及机制

导读：

河口是DOM从陆地向海洋输送的主要通道，而沉积物是DOM输移、生产、转化和埋藏最为活跃的场所，其对河口生态环境调控起着关键作用。河口沉积物DOM结构组成复杂且来源多样，同时河口陆-海过渡性水生态环境和水文/水动力条件具有高度空间异质性，导致目前对河口沉积物DOM的分布格局、分子转化及其驱动机制难以有效揭示。特别地，伴随着人类活动加剧而引起污染物输入变化，例如富含杂原子的氮（N）、硫（S）和磷（P）输入的增加使得DOM进一步复杂化。基于此，该研究选择珠江河口，按空间梯度从上游到下游获取沉积物样品，利用紫外-可见光谱（UV-Vis）、激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱、傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）和微生物高通量测序相结合方法，研究了珠江口沉积物DOM、N-DOM（DON）和S-DOM（DOS）分布格局、分子转化机制及生物反应性，以期为明晰河口沉积物DOM动态变化以及人类活动干预下河口DOM的环境效应提供参考依据。

 1、珠江口沉积物DOM、DON和DOS分子特征、组分空间变化

从河口上游到下游，沉积物DOM、DON和DOS分子呈现出明显的空间梯度。沉积物DOM含量、CDOM芳香性（SUVA₂₅₄）、疏水性（SUVA₂₆₀）及包含的羧基、羰基、羟基和酯基（A₂₅₃/A₂₀₃）等取代基含量呈下降趋势； FDOM中酪氨酸/色氨酸蛋白和类腐殖酸物质的丰度也均呈减小趋势。此外，沉积物DOM、DON和DOS分子多样性逐渐减少，并且其分子特征倾向于向更低的氧化性（NOSC）和更高的生物反应性（MLB_L）、分子量（m/z）、饱和度（H/C）转变。分子组成方面， 沉积物DOM分子组分总体较为相似，但DON、DOS分子中的蛋白质、脂质类物质的相对丰度从上游到下游呈增加趋势，而木质素类物质相对丰度则有所降低。

图1 珠江口沉积物DOM、DON和DOS分子特征空间变化（来源：ScienceDirect）

图2 珠江口沉积物DOM、DON和DOS分子组成空间变化（来源：ScienceDirect）

 2、河口沉积物DOM、DON和DOS分子转化机制

沉积物DOM分子转化通常受光降解、微生物利用、来源和絮凝作用等影响。从河口上游到下游，珠江口沉积物CDOM的芳香性下降，但其分子量和饱和度显著增加。考虑到光降解可去除芳香族化合物并生成分子量和饱和度降低的小分子，说明光降解可能不是珠江口沉积物DOM分子转化的关键因素。

先前研究发现，微生物在DOM转化过程中更倾向于改变DON和DOS。本研究发现，N、S代谢相关细菌丰度（OTU）与DON和DOS的DBE_wa、O/C_wa、NOSC_wa呈正相关，而与m/z_wa、H/C_wa、MLB_L值呈负相关，表明微生物作用降低了河口沉积物DON、DOS的分子量、饱和度和生物反应性。此外，N、S代谢相关细菌的丰度（OTU）与DON、DOS中的不稳定成分（蛋白质、碳水化合物和脂质）呈负相关，而与难降解成分（单宁和木质素）呈正相关，推断珠江口沉积物DON、DOS中不稳定的组分可能是微生物代谢的反应物而非产物。因此，从珠江口上游到下游，微生物作用的降低可能是导致沉积物DON、DOS分子特征、组分变化及生物反应性升高的重要因素。

图3 珠江口沉积物N、S代谢相关细菌属与沉积物DON（a）和DOS（b）分子特征、组分间关系网络图

除微生物作用外，陆地自然输入和人类活动产生的有机物、N、S等也对河口沉积物DOM、DON和DOS的转化具有显著影响。珠江口上游沉积物DOM、DON和DOS分子表现出陆源特征，如高芳香性、低分子量、饱和度以及高相对丰度的类木质素物质。相比之下，中下游逐渐转变为自生源特征，其表现为饱和度、分子量及蛋白质、脂类物质比例的增加。此外，沉积物DOM中O₃S和O₅S化合物的丰度以及CHOS的相对丰度逐渐下降，强调了珠江口从上游到下游人为源输入贡献的衰减。一方面，人类活动输入的有机N、S增加了沉积物DOM中DON、DOS分子数量，另一方面，无机N、S还可通过C–N、C–S键形成新的DON、DOS，在微生物作用下进一步改变DOM的分子特征和组成。

 3、河口沉积物DOM、DON和DOS生物反应性及环境启示

珠江口上游沉积物CDOM具有更高的芳香性、疏水性以及更丰富的取代基，而DOM、DON和DOS分子具有较低的分子量、饱和度和生物反应性，表明珠江口上游沉积物有机分子相对较难降解。相比之下，中下游沉积物DOM、DON和DOS的生物反应性逐渐升高，一旦环境条件发生变化，其分解、释放潜在风险较高。此外，研究发现沉积物DON和DOS的生物活性远高于本体DOM，表明人为N、S输入的增加将会通过提高DOM中DON和DOS的比例而增强DOM的生物活性，进而增加沉积物DOM的生物反应性。该研究为认识人类活动影响下河口沉积物有机分子分布格局和分子转化提供了新的证据。

图4 珠江口沉积物DOM、DON和DOS分布格局及分子转化机制（来源：ScienceDirect）

参考文献

[1] Zhaokui Ni, Yue Wu, Yu Ma, Yu Li, Dan Li, Wei Lin, Shengrui Wang, Chunyang Zhou. Spatial gradients and molecular transformations of DOM, DON and DOS in human-impacted estuarine sediments. Environment International, 2024, 185, 108518.

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.envint.2024.108518

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联系作者

倪兆奎，副研究员，北京师范大学珠海校区，nizk@bnu.edu.cn