近日，我院何品晶教授团队在国际权威期刊Nature Communications发表题为“Pathways and selectivity of Fenton degradation of different precursor species of dissolved organic matter”的研究论文。该研究聚焦不同溶解性有机物（DOM）亚类的Fenton衍生DOM分子，基于超高分辨率质谱（UHRMS）的分子信息分析方法，结合不同层面的单体反应以及实际复杂介质的稳定同位素示踪反应，揭示且验证了Fenton降解不同DOM亚类的途径和选择性。该研究结论可为Fenton靶向降解有机废水中的DOM分子提供直接的理论依据。
Fenton是为数不多的可实现规模化工程应用的高级氧化技术之一，常用于处理难降解有机废水，如垃圾渗滤液等。此类难降解有机废水中富含多种多样的DOM，如脂类、蛋白质、木质素/富含羧基的脂环分子（CRAM）等。这些DOM亚类均是同源前体在多种生物或非生物作用下生成的高度复杂化的产物，即使是天然有机质。现有研究止步于DOM的整体转化过程，而并未深入挖掘不同DOM亚类的降解特性。衍生DOM分子是Fenton反应的特征产物，即“反应印迹”，其可能成为探究Fenton在复杂混合介质中反应途径与选择性的突破口。此外，结合稳定同位素示踪技术可以进一步验证复杂介质中衍生DOM的转化途径。UHRMS技术可有效捕获•OH反应产物的分子信息（CcHhOoNnSs），有助于推断其降解途径。现有研究大多通过van Krevelen图中不同亚类DOM分子丰度的增减来大致推断Fenton的降解偏好。然而，针对有机废水等极其复杂的环境介质，该方法仅可以初步判断出Fenton对官能团和分子量的降解偏好，而无法深入DOM亚类水平。此外，van Krevelen图存在大量重叠和边界分子信息，这不可避免地会导致推断结果存在偏差。
为应对上述挑战，研究团队开发了一种将“自上而下”与“自下而上”研究体系相结合的策略。该策略选择了55种典型的不同DOM亚类前体单体，设计了3个层面的单体反应，即单一单体反应、混合单体反应和时间-亚类梯度混合反应。利用UHPLC-Orbitrap MS/MS获取不同DOM亚类的衍生DOM分子的质谱信息。通过计算单一单体反应衍生DOM分子与单体的精确质量差异，探究了不同DOM亚类的转化途径。同时，利用稳定同位素标记的单体和•OH设计了单向示踪反应和双向示踪反应，验证了实际复杂介质中不同 DOM 亚类的转化途径。结果表明，Fenton降解八种DOM亚类的途径各不相同。天然有机质（SRNOM）的稳定同位素示踪反应进一步证实了单体反应的结果。
Fenton降解不同DOM亚类的途径
SRNOM的单向示踪和双向示踪反应中不同DOM亚类的转化途径
此外，研究团队通过挖掘单一单体反应与时间-梯度混合单体反应（含稳定同位素单体）衍生DOM的共有分子特征随时间梯度的变化规律，探究了Fenton降解不同DOM亚类的选择性。结果表明，Fenton的反应选择性大致如下：不饱和碳氢化合物>脂类=蛋白质>氨基糖>木质素/CRAM化合物>芳香类化合物>单宁>碳水化合物。同时，上述结论也由稳定同位素标记的衍生DOM分子信息得以验证。
梯度混合单体反应与单一单体反应中Fenton衍生DOM的共分子特征数量的时间变化规律
最后，研究团队针对已识别出转化途径的衍生DOM分子，进一步结合模型计算或数据库的体外和体内试验数据挖掘了Fenton衍生DOM分子的毒理特性。重点分析了体外试验活性检测命中数据，尤其是Tox21 10K。结果表明，与其他亚类相比，脂类和芳香化合物的衍生DOM分子具有更高的环境和人类健康风险。
Fenton衍生DOM分子的毒理特性
我院2021级博士生陈奇为论文第一作者，我院何品晶教授为通讯作者。合作者包括我院吕凡研究员、仇俊杰博士后、章骅教授。
文章链接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61753-7
我院固体废物处理与资源化研究所何品晶教授团队在固体废物衍生废水的有机质分子解析及其高效处理技术方向上长期耕耘，近五年来发展了监测废水处理工艺的4维Venn图模型（Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 20, 14753-14762）、用于研究DOM分馏特性的四面体模型（Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 26, 11685-11694）和氯代溴代DOM分析方法（Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 42, 16033-16042），剖析了渗滤液处理工程全流程有机物转化机制（Water Res., 2021, 195, 117000；中国科学: 技术科学, 2022, 52(10): 1595–1607），发现了生物衍生DOM的关键贡献（Water Res., 2020, 175, 115705），解析了制约垃圾渗滤液生物处理效能的含氮DOM分子簇（Water Res., 2024, 254, 121403），研究了不同Fenton技术降解垃圾渗滤液衍生DOM的分子特性与可行性（Water Res., 2023, 244, 120536），构建了“固体废物衍生污水分子信息数据库”（软著登记号2023SR0730371），为各类污水的分子水平分析提供了方法学支撑。
上述研究得到国家自然科学基金委员会科研项目（22076145）和国家重点研发计划项目（2018YFD1100600）资助。
