广东工业大学袁勇课题组：微生物源水溶性有机物的光化学行为及环境效应-上海善施科技

近年来，广东工业大学环境学院袁勇教授课题组针对水环境中溶解性有机物（Dissolved organic matter, DOM）的光化学特性这一课题开展研究，成果在环境领域知名期刊Environmental Science & Technology和Water Research上发表了一系列研究论文。研究团队探究了水环境中微生物胞外聚合物（Extracellular polymeric substances, EPS）的光化学行为特征及其对污染物降解的影响；结合模型分析研究了不同水期下珠江广州市区段DOM光化学特性的差异；构建了DOM光化学特性数据库，并开发了预测DOM光化学特性的机器学习模型

第一作者：周少锋和廖知玚

通讯作者：袁勇

通讯单位：广东工业大学环境科学与工程学院

论文DOI：10.1021/acs.est.1c02286

EPS是微生物生理代谢活动过程中分泌的一类复杂混合物，主要包含蛋白质、多糖、腐殖酸和DNA。据报道，EPS是自然环境中DOM的重要组成部分，占海洋环境中DOM组成的40%以上。DOM潜在光化学活性为自然界中的碳循环过程提供了新的见解，但EPS的光化学行为及其对环境的影响尚未被确定。另外，对于EPS的光化学行为仍然缺乏分子水平上的认知。因此，了解EPS的光化学行为及相关的环境影响对于深入理解微生物驱动的化学元素循环和物质转化至关重要。本研究表征了不同微生物来源的EPS受光照激发产生光生活性中间体（Photochemically produced reactive intermediates, PPRIs）的表观量子产率ΦPPRIs，包括激发三重态（3EPS*）、单线态氧（1O2）和羟基自由基（·OH）；采用光谱和质谱从分子水平上揭示了EPS光照前后组分的转化规律；探究了EPS的光化学行为对水生环境中共存污染物（四环素）转化的影响。

图1 傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）表征得到的模拟太阳光照前后EPS的van Krevelen图（a）以及不同分子式类（b）和化合物类（c）相对贡献

通过FT-ICR MS表征模拟太阳光照前后EPS在分子水平的变化（图1）可发现：在光照后，EPS中的CHO类化合物具有向低O/C结构转化的趋势，表明EPS中具有高O/C的不饱和组分更容易被光照激发而发生化学转化。此外，EPS中高O/C或低H/C结构的碳水化合物（Carbohydrates）、芳香物质（Aromatics）和富含羧酸的脂环族分子（CRAM-like）等组份的丰度下降明显，表明EPS的光化学反应可能倾向于发生在芳香族、高氧化和不饱和成分中。这些结果揭示了EPS受光照激发后从不饱和结构到饱和化学键结构方向转换的光化学行为。

图2 光照下EPS对水中共存有机污染物（四环素）的影响

图2显示了在光照条件下，EPS促进了共存四环素的降解，这表明EPS的光化学行为对污染物的衰减起关键作用；其中，主要是通过光照EPS激发光生成的自由基等活性中间体驱动污染物的降解转化。

图3 EPS的光化学行为及其对环境的影响

图3归纳了模拟太阳光照下EPS的光化学行为：EPS可以在吸收光能后生成活性中间体（3EPS*、1O2和·OH），从而加速EPS自身的光化学转化。在分子水平上，受到光照激发的EPS倾向于转化成芳香性较低和含氧官能团较少的结构。EPS的光化学行为有助于促进水生条件下共存微量有机物的自然转化。本研究的结果为理解自然水域中DOM的光化学行为提供了的新见解，在河口和湿地等EPS含量较高的水生态系统中，EPS的光化学活性将增强水体的自净能力

通讯作者简介

通讯作者：袁勇，教授，博士生导师，广东省自然科学基金卓越青年团队负责人。主要从事环境微生物和有机质的光化学和电化学研究。主持国家和省部级项目10多项，其中国家重点研发课题1项和国家自然科学基金5项。迄今在ISME Journal, Trends in Biotechnology, Environmental Science & Technology, Water Research, Applied catalysis B: Environmental, Analytical Chemistry等国际期刊发表论文共160余篇（其中第一或通讯作者英文SCI论文90多篇）；论文SCI他引7000余次，h-index为48。获得国家授权发明专利16件。兼任广东省污泥产业协会理事、中国环境科学学会重金属污染防治专业委员会委员。先后获第四届中国土壤学会优秀青年学者奖、广东省自然科学基金杰出青年基金和省自然科学奖（2项）。

第一作者：周少锋，硕士生导师，现为广东省科学院微生物研究所副研究员。主要从事水环境污染物的微生物强化降解理论及技术研究，主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年基金等国家和省部级项目4项。在Environmental Science & Technology, Water Research等环境领域主流期刊发表论文共20余篇（其中第一或通讯作者英文SCI论文11篇），h-index为15；担任Frontiers in Microbiology期刊编委；获2022年广东省技术发明奖（一等奖）。