研究背景

溶解性有机质 (dissolve organic matter, DOM)，是水陆生态系统中一类能溶于水、酸或碱溶液的复合有机组分的统称，在生物地球化学循环过程中扮演着十分重要的角色。在水生生态系统中，沉积物DOM主要来源于腐殖质、植物残体或凋落物、根系分泌物以及微生物生物量等。研究表明，DOM是湖泊沉积物中活性较高的复合物，且对物质与能量的转化或迁移具有很强的积极作用 (Chen and Hur, 2015)。特别是，DOM中含有多种官能团，可以通过独特的方式与其他物质如重金属元素以及抗生素等污染物结合，从而影响水体或沉积物中生物群落的组成与结构。
        目前，尽管相对氮、磷等营养元素，有关DOM对水体富营养化作用机理的研究并不多见，但随着DOM与水体富营养化之间的密切关联被揭示，DOM逐渐成为湖沼学和生态学领域研究的热点。作为影响水陆环境的关键参数，DOM频繁参与微生物群落的复杂代谢过程。同时，微生物对其大小、组成以及周转等方面也表现出很强的调节作用。相应地，在不同气候下，Hu et al. (2021) 通过构建能量-多样性-形状综合分析框架，揭示了DOM与细菌沿不同温度以及营养梯度的关系。其研究表明，在分子水平上，DOM与细菌的正关联强烈依赖于DOM的分子特征，而负关联表明分子随着生物活性变强而分解。在亚热带气候下，营养富集促进细菌与DOM正关联的专一化，而在较暖温度下降低其负关联的专一性。因此，DOM在很大程度上与环境中有机体的生物降解性以及营养有效性着存在密切关联，是生物地球化学循环中不可或缺的组成部分。

材料与试剂

1. 40 ml，2 ml棕色瓶
2. 针式过滤器 (水系0.45 μm, 25 mm，津隆)
3. 5 ml 注射器
4. 50 ml离心管
5. 铝箔纸
6. 保鲜膜
7. 甲醇 (LC-MS, Merck KGaA, Germany)
8. 无水乙醇
9. 1 mol/L盐酸
10. 超纯氮气
11. 超纯水
    

仪器设备

1. 移液枪 (1 ml & 5 ml, EPPENDORF, Germany)
2. 瓶口分液器 (10-60 ml)
3. 固相萃取柱 (Waters Oasis^® HLB Extraction Cartridge)
4. 5 L烧杯
5. 超声波清洗仪 (PM2-600TD, Prima, UK)
6. 真空固相萃取装置 (5982-9120, Agilent VacElut, USA)
7. 真空泵 (DOA-P604A-BN, GAST Manufacturing, INC, USA)
8. 干式氮吹仪 (LC-DCY-12GP, 上海力辰仪器科技有限公司)
9. 超纯水机 (PURELAB Chorus 1, ELGA LabWater, France)
10. 低速离心机 (5702R, EPPENDORF, Germany)
11. 冰箱 (BD-226WG，青岛海尔特种电冰柜有限公司)
12. 电热恒温鼓风干燥箱 (ED53, BINDER, Germany)
13. 电子天平 (ME104/02, METTLER TOLEDO, USA)
14. 马弗炉 (ELF11/23B, CARBO LITE, UK)
15. 通风橱
    

原理与方法

本实验将超声技术与固相萃取技术有效结合，以促进沉积物中溶解性有机质 (DOM) 的提取。其中，称取一定量沉积物样品于带特氟龙盖子的棕色瓶，加入适量超纯水，通过超声震荡，使沉积物中DOM充分溶入水中。经过离心、过滤以及酸化等处理后，获得的清液通过Waters Oasis® HLB萃取柱，不可溶性组分与水溶液从萃取柱吸附剂的空隙流出，而DOM被吸附在萃取柱的填料 (吸附剂) 表面。其中，酸化是为了促进H⁺与CO3^2-充分接触，使得一些难溶性的CO3^2-盐转变为易溶性的HCO^3-盐；同时，也促进部分HCO^3-盐转化为CO₂而排出滤液，从而达到除去部分无机碳以及防止空气中的CO₂溶入滤液的目的。
        Waters Oasis^® HLB萃取柱中的吸附剂是由亲脂性的二乙烯苯与亲水性的N-乙烯基吡咯烷酮聚合而成的大孔聚合物，适用于酸、碱及中性化合物的提取。Dittmar et al. (2008) 的研究显示，二乙烯苯聚合物是固相萃取DOM回收率最高的吸附剂，且相比硅结构吸附剂更具有代表性和高吸附容量。其研究表明，在咸水沼泽和河水中，二乙烯苯聚合物对溶解性有机碳 (DOC) 的提取率分别高达65%和62%；而对于南极洲和深海的纯海洋DOM，平均提取效率虽然只有43%，但其能够使样品达到完全脱盐。Waters Oasis® HLB吸附剂是利用反相固相萃取原理来保留DOM的，即固定相上非极性大孔聚合物 (吸附剂) 通过对有机溶质的亲和力而将其从极性的水相中分离出来，而这种亲和力主要源于聚合物较强的疏水性以及其内部所受的范德华力。
        对于吸附在填料表面的DOM，在利用超纯氮气吹除附在填料上的水分后，以质谱级甲醇为洗脱液，将DOM洗脱至小棕色瓶中。最后，对于洗脱液，再次进行氮吹，以除去挥发性的质谱级甲醇，从而获得纯净的DOM。基于Dittmar et al. (2008) 的研究，超声-固相萃取沉积物中DOM的原理大体如图1所示。


 图1. 沉积物中DOM提取的超声-固相萃取原理

实验步骤