全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 1 期摇 摇 2013 年 1 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
生态整合与文明发展 王如松 ( 1 )…………………………………………………………………………………
干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展 高光耀,傅伯杰,吕一河,等 ( 12 )……………………
城市林木树冠覆盖研究进展 贾宝全,王摇 成,邱尔发,等 ( 23 )…………………………………………………
环境质量评价中的生物指示与生物监测 Bernd Markert,王美娥,Simone W俟nschmann,等 ( 33 )………………
水溶性有机物电子转移能力及其生态效应 毕摇 冉,周顺桂,袁摇 田,等 ( 45 )…………………………………
个体与基础生态
凋落物和增温联合作用对峨眉冷杉幼苗抗氧化特征的影响 杨摇 阳,杨摇 燕,王根绪,等 ( 53 )………………
不同浓度 5鄄氨基乙酰丙酸(ALA)浸种对 NaCl胁迫下番茄种子发芽率及芽苗生长的影响
赵艳艳,胡晓辉,邹志荣,等 ( 62 )
……………………
………………………………………………………………………………
缺镁胁迫对纽荷尔脐橙叶绿素荧光特性的影响 凌丽俐,彭良志,王男麒,等 ( 71 )……………………………
松嫩草地 66 种草本植物叶片性状特征 宋彦涛,周道玮,王摇 平,等 ( 79 )………………………………………
花蜜中酚类物质对群落中同花期植物传粉的影响 赵广印,李建军,高摇 洁 ( 89 )………………………………
桉树枝瘿姬小蜂连续世代种群生命表 朱方丽,邱宝利,任顺祥 ( 97 )……………………………………………
种群、群落和生态系统
蒙古栎地理分布的主导气候因子及其阈值 殷晓洁,周广胜,隋兴华,等 (103)…………………………………
河静黑叶猴果实性食物组成、选择及其对种子的扩散作用 阮海河,白摇 冰,李摇 宁,等 (110)…………………
2010 秋季东海今生颗石藻的空间分布 靳少非,孙摇 军,刘志亮 (120)…………………………………………
OPRK1 基因 SNP 与梅花鹿昼间行为性状的相关性 吕慎金,杨摇 燕,魏万红 (132)……………………………
鄱阳湖流域非繁殖期鸟类多样性 邵明勤,曾宾宾,徐贤柱,等 (140)……………………………………………
人工巢箱条件下两种山雀鸟类的同域共存机制 李摇 乐,张摇 雷,殷江霞,等 (150)……………………………
桉鄄桤不同混合比例凋落物分解过程中土壤动物群落动态 李艳红,杨万勤,罗承德,等 (159)…………………
三峡库区生态系统服务功能重要性评价 李月臣,刘春霞,闵摇 婕,等 (168)……………………………………
景观、区域和全球生态
黄土高原小流域不同地形下土壤有机碳分布特征 李林海,郜二虎,梦摇 梦,等 (179)…………………………
海岸带地理特征对沉水植被丰度的影响 吴明丽,李叙勇,陈年来 (188)…………………………………………
玛纳斯河流域扇缘带不同植被类型下土壤物理性质 曹国栋,陈接华,夏摇 军,等 (195)………………………
资源与产业生态
农田开垦对三江平原湿地土壤种子库影响及湿地恢复潜力 王国栋,Beth A Middleton,吕宪国,等 (205)……
漫溢干扰过程中微地形对幼苗定居的影响 安红燕,徐海量,叶摇 茂,等 (214)…………………………………
黑龙港流域夏玉米产量提升限制因素 徐丽娜,陶洪斌,黄收兵,等 (222)………………………………………
黑龙江省药用植物根际土壤真菌多样性 慕东艳,吕国忠,孙晓东,等 (229)……………………………………
桑沟湾养殖生态系统健康综合评价 傅明珠,蒲新明,王宗灵,等 (238)…………………………………………
城乡与社会生态
基于“OOAO原则冶的罗源湾生态质量状况综合评价 吴海燕,吴耀建,陈克亮,等 (249)………………………
四十里湾营养状况与浮游植物生态特征 李摇 斌,白艳艳,邢红艳,等 (260)……………………………………
生态足迹深度和广度:构建三维模型的新指标 方摇 恺 (267)……………………………………………………
中国东西部中小城市景观格局及其驱动力 齐摇 杨,邬建国,李建龙,等 (275)…………………………………
研究简报
南海陆坡沉积物细菌丰度预测 李摇 涛,王摇 鹏 (286)……………………………………………………………
浑善达克沙地榆树疏林幼苗更新空间格局 刘摇 振,董摇 智,李红丽,等 (294)…………………………………
光和不同打破种子休眠方法对紫茎泽兰种子萌发及幼苗状态的影响 姜摇 勇,李艳红,王文杰,等 (302)……
学术争鸣
关于植物群丛划分的探讨 邢韶华,于梦凡,杨立娟,等 (310)……………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄01
封面图说: 外来入侵物种紫茎泽兰———紫茎泽兰约于 20 世纪 40 年代由缅甸传入中国云南南部后迅速蔓延,现已在云南、贵
州、四川、广西、重庆、湖北、西藏等省区广泛分布和危害,并仍以每年大约 30 km的速度扩散。 紫茎泽兰为多年生草
本或亚灌木,号称“植物界杀手冶。 其对环境的适应性极强,疯长蔓延,能极大耗损土壤肥力。 它的植株能释放多种
化感物质,排挤其他植物生长而形成单优种群,它破坏生物多样性,威胁到农作物、畜牧草甚至林木,且花粉能引起
人类过敏性疾病等,目前尚无有效治理对策。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 1 期
2013 年 1 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 1
Jan. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(40171157, 41101211, 21177030)
收稿日期:2011鄄11鄄07; 摇 摇 修订日期:2012鄄02鄄22
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: yuanyong@ soil. gd. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201111071685
毕冉,周顺桂,袁田,庄莉,袁勇.水溶性有机物电子转移能力及其生态效应.生态学报,2013,33(1):0045鄄0052.
Bi R,Zhou S G, Yuan T,Zhuang L,Yuan Y. Electron transfer capacities of dissolved organic matter and its ecological effects. Acta Ecologica Sinica,2013,
33(1):0045鄄0052.
水溶性有机物电子转移能力及其生态效应
毕摇 冉1,2,周顺桂2,袁摇 田2,庄摇 莉2,袁摇 勇2,*
(1. 中国科学院广州地球化学研究所, 广州摇 510640; 2. 广东省生态环境与土壤研究所, 广州摇 510650)
摘要:水溶性有机物(Dissolved organic matter,DOM)是生态系统最为活跃的有机物组分,参与众多物理、化学及生物过程。 DOM
具有电子转移能力,主要原因在于结构中包含的醌基官能团,通过醌、半醌和氢醌之间的可逆转化完成电子转移过程。 DOM 作
为电子穿梭体,循环参与电子转移的能力是其发挥生态效应的重要体现。 研究表明,DOM 可以通过氧化还原反应介导环境中
Cr(遇)、Hg(域)等重金属及卤代烃、硝基芳香化合物等持久性有机污染物降解转化。 综述了 DOM 电子转移能力机理、途径及
可循环性,电子转移能力测定方法,以及 DOM电子转移能力的生态效应并展望研究方向。
关键词:水溶性有机物;电子转移能力;测定方法;生态效应
Electron transfer capacities of dissolved organic matter and its ecological effects
BI Ran1,2,ZHOU Shungui2, YUAN Tian2,ZHUANG Li2,YUAN Yong2,*
1 Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
2 Guangdong Institute of Eco鄄Environmental and Soil Sciences, Guangzhou 510650, China
Abstract: Dissolved organic matter ( DOM) represents one of the most mobile and reactive organic matter fractions,
controlling a number of physical, chemical and biological processes in ecosystem. Both laboratory and field studies show
that litter and humus are the most important source of DOM in soils. Due to the complex molecules structure, a general
chemical definition of DOM is impossible. DOM is often defined operationally as a continuum of organic molecules of
different sizes, structures and functional properties that is able to pass through a filter with a pore size of 0. 45 滋m. DOM
consists of low molecular weight substances, such as organic acids and amino acids, as well as complex molecules of high
molecular weight, such as humic substances and enzymes.
Earlier researchers primarily focused on the complexation and adsorption properties of DOM with heavy metals and
organic pollutants, by which their behaviors in soils, such as the adsorption, desorption, and transportation, were greatly
affected. Recently, discoveries on the redox reactivity of humus have illuminated a new thought that DOM may also have the
same mechanisms. With the aid of numerous analytical techniques, there were multiple lines of evidence for the redox
reactivity of DOM. Quinine groups have main contribution to the electron transfer of DOM. Quinones are a versatile class of
biomolecules found in numerous substances such as living cells, extracellular material and so forth. Quinones can be cycled
among three redox states: oxidized, semiquinone radical, and reduced, thus, the electron transfer processes reversibly take
place with the transformation among benzoquinone, semiquinone and hydroquinone. The benzoquinone of DOM can undergo
either one鄄electron reduction to the semiquinone or two鄄electron reduction to the hydroquinone. DOM can accept electrons
from other species when electron donors, especially the humic鄄reducing bacteria, are available in the environment.
Alternatively, the reduced DOM could be oxidized by those substances with high redox potentials, such as oxygen. Previous
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studies showed that the electron transfer capacity of DOM was closely related to the degradation of heavy metals (e. g. Cr
(遇) and Hg(域)) and persistent organic pollutants (e. g. halohydrocarbon and nitroaromatic) in the environments. DOM
can function as electron shuttle for continuous electron transfer between the reduced electron donor and the oxidized priority
pollutants, displaying a significant effect on the fate and transport of organic and inorganic environmental pollutants. The
redox properties of DOM, including electron transfer reversibility, electron acceptor capacity ( EAC) and electron donor
capacity (EDC), have been provided by chemical and biochemical methods. Nevertheless, the traditional methods (Zn and
Fe3+ assays) are normally time consuming and usually require high degree of skill and experience to achieve reproducible
results. Lately, a novel and rapid electrochemical approach has been presented to investigate the redox properties of DOM,
which overcomes the limitations of the methods previously used.
Though the researches on DOM are intensive, our knowledge of the formation and function of DOM is still fragmented
and often inconsistent. Thus, a systematic review is benefit to comprehensive understanding of the ecological effects of
DOM. The purpose of this paper was to review three main aspects: (1) the mechanism, pathway and capability of electron
transfer for DOM; (2) the methods for measuring electron transfer capacity; (3) the ecological effects and research
prospects of DOM in the future.
Key Words: dissolved organic matter; electron transfer capacity; measurement; ecological effects
水溶性有机物(DOM),是生态系统中活跃的有机组分。 其操作性定义指能通过 0. 45滋m的滤膜,具有不
同结构及分子量大小的有机混合物[1]。 DOM由含有羧基、醇羟基和取代氨基的小分子量物质(游离氨基酸、
有机酸等)和含有酚羟基、醌基和甲氧基的大分子量物质(酶、氨基糖、多酚和腐殖质等)组成,可与环境污染
物发生络合、吸附作用。
研究表明,DOM能优先吸附重金属并形成 DOM鄄重金属络合物,作为重金属迁移活化的载体可以减弱土
壤对重金属的吸附作用,增强其生物有效性[2鄄4];同时也可与持久性有机污染物结合增强其水溶性及迁移
性[3,5]。 近期,研究发现具有“类腐殖质冶性质的 DOM通过氧化还原反应可介导环境污染修复,例如 DOM 可
从微生物接受电子并转移至有机污染物[5鄄7];也可以在厌氧环境中,作为电子穿梭体在微生物与铁氧化物之
间循环转移电子[8]。 因此 DOM电子转移能力的研究逐渐成为国内外的热点,此方面研究主要集中在以下三
个方面:淤采用荧光光谱(EEMs),电子自旋共振色谱(ESR)和电化学等方法从结构方向分析电子转移能力;
于研究 DOM厌氧环境污染修复及结合 DOM电子转移能力的污染修复新技术的实际应用[9鄄10],尤其与还原微
生物的协同作用以加快难降解污染物的转化降解;盂探究 DOM 抑制产甲烷菌作用以减少 CH4 排放,并参与
全球碳循环,缓解温室效应[11]。
本文从电子转移机理、途径及循环性分析了 DOM 的电子转移能力;对比传统化学方法与电化学方法在
测定电子转移能力方面的优缺点,并讨论影响 DOM 电子转移能力的相关因素;综述 DOM 的显著生态效应,
即连续将电子由还原性供体转移给具有氧化性的污染物(有机氯、硝基苯、重金属等),加速其转化降解降低
生态风险;最后提出 DOM研究现存问题及展望,充分发挥 DOM的广阔实际应用前景。
1摇 DOM的电子转移能力
1. 1摇 术语定义
电子转移能力是反映 DOM 电子转移过程的重要指标,分为电子接受能力 ( EAC)和电子供给能力
(EDC)。 通常采用单位质量的有机碳(DOC)转移的电子数(e- / g)来计量,常用单位为 mmol / g。 EAC即 DOM
作为电子受体,单位质量有机碳接受电子的数量。 EDC 即 DOM 作为电子供体,单位质量有机碳供给电子的
数量;同时 EDC又可为分为初始电子供给能力(Initial EDC)和潜在电子供给能力(Potential EDC)。 初始电子
供给能力,即 DOM提取后将电子转移给电子受体的量;潜在电子供给能力,即初始 DOM 被还原后,还原态
DOM又将电子转移给电子受体所测得的量[12鄄14](图 1[14])。
64 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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图 1摇 水溶性有机物电子转移能力[14]
Fig. 1摇 DOM electron transfer ability[14]
DOM:水溶性有机物 (Dissolved organic matter)
1. 2摇 电子转移机理及途径
2007 年,Bauer等首次提出 DOM作为氧化还原缓冲剂
的概念[8],即 DOM 可作为电子受体接受来自还原性物质
的一定数量的电子,同时可作为电子供体向某些氧化态物
质提供一定数量的电子。 DOM 所表现的“类腐殖质冶特性
使其氧化还原性质逐渐引起国内外学者的广泛关注,并对
其产生此种性质的原因进行深入研究。 研究结果表明,
DOM的电子转移能力是主要由于结构上普遍存在的醌基
官能团,其在电子传递过程中起到重要作用。 Scott等利用
电子自旋共振色谱(ESR)研究 DOM,发现 DOM 被微生物
图 2摇 醌基官能团氧化还原反应过程[7]
Fig. 2摇 The redox reaction of benzoquinonyl radical[7]
还原后,有机自由基的含量有所增加,其增加量与 DOM 的
电子接受能力成正相关。 他们测得半醌为有机自由基主
要成分,由此推断在电子转移给 DOM 的过程中醌基被还
原[15];Nurmi和 Tratnyek 利用循环伏安法(CV)测定不同
种类 DOM 在非水环境下的氧化还原电位,发现其与醌类
模型 (蒽醌鄄2, 6鄄二磺酸钠等 ) 十分相似[16]; Cory 和
Mcknight利用荧光光谱法(EEMs)研究多种 DOM 发现其
荧光基团中醌类占 50%左右,说明醌类物质广泛存在于
DOM中[7]。 图 2 所示为醌基代表物的电子转移途径:在还
原物质存在条件下,可依次接收电子转变为还原性半醌、
氢醌;当可供给电子的氧化物存在时,氢醌、半醌将会供给自身接受的电子同时转化为苯醌。 从而通过以上过
程完成电子由氧化态供体转移至还原态污染物质。 与此同时,在研究 DOM 的电子转移机理的过程中,也有
学者认为醌类物质作为电子穿梭体并不能完全解释电子转移机理。 Struyk等用 I2 滴定氧化腐殖酸时,发现通
过自由基传递的电子只占反应中传递的电子总数的一部分,所以他们认为醌基并不是腐殖酸中唯一的电子转
移体[17];Ratasuk 和 Nanny 通过研究腐殖酸的可逆性氧化还原位点的性质及其电子转移能力时发现,其氧化
还原位点包括醌基和非醌基结构,醌基的电子转移能力占总电子转移能力的 44%—79% 。 同时,当醌结构被
破坏而不具备电子转移能力时,酚等其它官能团也能完成电子转移[18]。
1. 3摇 电子转移可循环性
自 1996 年,Lovley等[6]首次发现存在于厌氧环境中的腐殖质呼吸作用,即腐殖质还原菌通过氧化电子供
体,偶联腐殖质还原,循环参与呼吸链上电子转移的过程。 从此,DOM 作为电子穿梭体的可循环特性引起广
泛关注。 DOM可接收电子还原性电子供体(腐殖质还原菌,葡萄糖,H2S 等)提供的电子被还原,还原态 DOM
再将电子转移给氧化性污染物,同时还原态 DOM又转化为氧化态,继而又可接收电子,循环参与电子转移反
应过程。 DOM的这种重复利用、循环参与电子转移的能力,被认为是其充分发挥 DOM 环境效应的关键。 此
外,DOM还可加快还原性电子供体与氧化性污染物质的反应速率,加速某些条件下难以进行的电子转移反应
发生[6,8]。 电化学循环伏安扫描是证明其具有循环电子转移能力最简便的方法。 图 3 所示蒽醌鄄2,6鄄二磺酸
钠、腐殖酸和水溶性有机物的 CV曲线出现明显对称氧化峰和还原峰,阳极与阴极的峰电流比(IpA / IpC)接近
1,表明这些电子穿梭体的电子转移反应接近于可逆反应,即它们具有可循环能力。 许伟采用循环伏安法证明
污泥 DOM可经历多次电子转移,反复接收和供给电子;在 3 次重复电子转移后,EDC 可稳定维持在 150—250
滋mol / g之间[13]。 Ratasuk和 Nanny利 O2(氧化剂)和 H2(还原剂)氧化还原循环测定证明腐殖质至少可以经
历 5 次氧化还原可逆循环[17]。 Maurer等[19]通过电化学方法测定 DOM连续的 3 次氧化还原循环过程中 EAC
和 EDC变化,连续 3 次实验的 EAC测定值分别为 0郾 53、0. 45 和 0. 40 mmol / g,Potential EDC 为 0. 36、0. 38 和
74摇 1 期 摇 摇 摇 毕冉摇 等:水溶性有机物电子转移能力及其生态效应 摇
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图 3摇 水溶性有机物电子转移反应循环[20]
Fig. 3摇 The cycle of DOM electron transfer reaction[20]
0. 35 mmol / g,而 Initial EDC 则都几乎维持在 0. 12
mmol / g左右。 这些实验证明,DOM 在电子转移反应中
确实存在明显循环性,可连续发挥电子穿梭体的作用;
然而三次循环过程中 EAC 和 EDC 呈现整体递减趋势,
表明在氧化还原过程中,部分 DOM发生不可逆还原,不
能再次参与反应转移电子。
2摇 DOM电子转移能力的测定
DOM电子转移过程即 DOM 作为电子穿梭体参与
氧化还原反应。 初期研究 DOM电子转移能力主要通过
化学氧化剂与还原剂来测定。 近期,随着电化学方法研
究逐步深入及传统化学方法对于 DOM研究局限性的日
益体现,电化学方法作为一种应用成熟、快捷高效的研
究方法拓宽 DOM研究并补充化学方法的缺陷。 不同测
定方法,DOM 来源,pH 值及温度均会对电子和转移能
力的测定结果产生影响[1,21鄄25]。 表 1 列出部分 DOM电子转移能力的测定值。
2. 1摇 化学方法
在一定实验条件下,DOM作为电子供体将电子转移给化学氧化剂,测定 DOM的 EDC;同理 DOM 可作为
电子受体接受化学还原剂供给的电子,测定 DOM的 EAC。 根据 DOM的氧化还原电位,实验研究较为常用的
化学氧化还原剂为 Na2S2O4 和 I2 [26]和 Zn(H2S)和络合态 Fe3
+ [13,27鄄28]。 通过计算试剂消耗量或是产物生成
量,根据电子转移量计算出 DOM的 EDC和 EAC。
化学方法为研究 DOM电子转移能力提供定量测定方法,同时可研究多种因素对于 DOM 电子转移能力
的影响。 但仍存在重要不足:1)化学方法测定过程中伴随着电子转移会发生质子交换过程,反应体系随之变
化的 pH值会影响 DOM的电子转移能力[29]。 2)化学方法一般需要较长时间才能达到反应平衡,采用的较短
测定时间并不能反映 DOM真实的电子转移能力[18,21]。 3)化学氧化还原试剂的加入可能引发副反应,或因反
应物质吸附在 DOM表面影响其电子转移能力[21,28]。
2. 2摇 电化学方法
研究初期,常采用循环伏安法定性证明 DOM电子转移能力的循环性[16,19]。 现多采用计时电流法定量表
征 DOM的电子转移能力,向工作电极施加适宜的氧化或还原恒电位,DOM 与工作电极之间存在电位差从而
引发电子的转移。 实验得到电解时间 t( s)和电流强度 I(A)的相应 I鄄t图,根据 Q= It计算出 DOM氧化还原反
应过程中电子转移的数量。 同时还可通过双电位阶的计时电流法测得 DOM的电子循环能力[24]。
表 1摇 水溶性有机物电子转移能力
Table 1摇 DOM electron transfer capacities
氧化还原电对
Redox couple
水溶性有机物来源 (pH)
DOM source (pH)
电子接受能力
EAC / (mmol / g)
潜在电子供给能力
Potential EDC / (mmol / g)
参考文献
References
Zn0 / Zn2+ 污泥堆肥(7. 0) 0. 32 [20]
H2S / S2O2-3 Pahokee泥炭(6. 5) 0. 60 [8]
电极 Pahokee泥炭(6. 5) 0. 64 [8]
FeCl3 / FeCl2 IHSS土壤腐殖酸(5. 0) 0. 31 [22]
Fe(citrate)] 0 / [Fe(citrate)] 1- Aldrich腐殖酸(6. 8) 0. 34 [6]
[Fe(CN) 6] 3- / [Fe(CN) 6] 4- Pahokee泥炭(6. 5) 0. 33 [8]
电极 污泥(7. 1) 0. 25 [13]
摇 摇 “ 冶未测定; IHSS:国际腐植酸协会 (International Humic Substance Society); Pahokee 泥炭,IHSS 土壤腐殖酸和 Aldrich 腐殖酸均为市售腐
殖酸
84 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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3摇 生态效应
图 4摇 水溶性有机物电子转移能力的生态效应[31]
Fig. 4摇 Ecological effect in the electron transfer of DOM[31]
由于 DOM具有“类腐殖质冶性质,在已有腐殖质相
关研究的基础上, DOM 氧化还原性质对重金属及有机
污染物降低生态风险逐渐成为国内外研究热点。 DOM
普遍存在于土壤及污泥环境中并包含大量电子转移基
团(醌基),是自然界中最高效的电子穿梭体[30]。 如图
4 所示,DOM 可以通过醌基与氢醌的循环转化介导多
种重金属(Cr(遇)、Hg(域)等)及持久性有机污染物
(卤代烃、硝基芳香化合物等)连续还原解毒,发挥其十
分重要的环境生态效应。
3. 1摇 DOM介导的重金属还原解毒
DOM可优先接收电子转化为还原态,还原态 DOM
又能够将电子转移给氧化态 Cr(遇),Hg(域)等重金属
及 U(遇)等放射性元素,达到还原解毒作用。 重金属
铬在自然界中通常以 Cr(芋) 和 Cr(遇)价态形式存在
于水体及土壤环境。 Cr(芋)是生物体维持基本生理活动的必需元素,然而 Cr(遇)由于其易溶性及高毒性对
生物体产生强烈危害。 Denis等[32]实验表明 DOM作为电子穿梭体可以加速电子转移给 Cr(遇)使其转化为
Cr(芋),并能通过醌与氢醌结构的可逆转换以循环还原 Cr(遇)。 同时发现此高效电子转移过程受到 pH 值
及 DOM种类的影响。 (1)pH值:Cr(遇)还原速率随着 pH值的降低而加快,在 pH值大于 9. 2 时还原能力丧
失[32];Gu 和 Chen[33]也研究表明 DOM 在 pH 值为 3 左右时还原能力较强,但在 pH 值升高至 7 左右
时,Cr(遇)的还原效率可以忽略不计。 这是因为一方面随着 pH 值的升高,DOM 的芳香成分会发生变化,结
构的改变进而影响其还原能力;另一方面 pH值会影响 Cr(遇) / Cr(芋) 氧化还原电子对的氧化还原电位,直
接影响 DOM电子转移的难易程度;(2)DOM 种类:Gu 和 Chen[33]研究发现两种可溶性有机物(DOM鄄PP 和
DOM鄄CH)和土壤腐殖酸(soil HA)对 Cr(遇)的还原能力存在显著差异,DOM鄄PP 两周反应后可还原近 95%
Cr(遇),其电子转移能力明显强于 DOM鄄CH和 soil HA。
同理,DOM可还原 Hg(域) [34]、V(V) [35]、Pu(V) [36]等重金属,将其转变为毒性减弱的低价态形式,降低
生态环境风险。 DOM作为电子穿梭体可将微生物还原 U(遇)的效率提高 10 倍[37]。 但是 DOM 的还原特性
也会产生某些生态环境风险问题。 自然界中 As常以砷酸盐(AsO3-4 )形式存在,氧化态 DOM可还原 As(V)转
化为 As(芋)。 但是亚砷酸盐(AsO3-3 )毒性会增加 60 倍,并具有更强的溶解性,造成严重的生态风险[38鄄40]。
3. 2摇 DOM介导的有机污染物还原降解
腐殖酸还原环境中普遍存在的有机污染物的研究已经较为成熟,但 DOM对有机污染物还原能力的研究
较少。 由于 DOM具有“类腐殖质冶性质,对于其对有机污染物的降解机理存在两种合理假设推测:1)电子供
体假设,低分子量 DOM作为有机碳源即电子供体,被腐殖酸还原菌利用参与有机污染物还原反应;2)电子穿
梭假设,高分子量 DOM在腐殖质还原菌和有机污染物之间作为电子穿梭体,加速还原反应[41]。
卤代烃因其持久污染性及“三致冶危害受到普遍关注,卤代烃还原降解一直是研究热点。 卤代烃在厌氧
环境经过脱卤作用后毒性及持久性将大大降低,同时可以更易被微生物降解[42]。 Curtis 和 Reinhard[43]研究
腐殖酸可以转移电子还原 C2Cl6、CCl4 和 C2H3Br3 等卤代烃。 C2Cl6 依次接受电子供体 HS
-两个电子后脱去两
个氯自由基转变为四氯乙烯,再经过微生物代谢完全降解为 CO2 和 H2O。 同理 CCl4 和 C2H3Br3 也可以得到
电子脱去卤基,最终被完全降解。 脱卤反应限速步骤一般为电子由电子供体转移至卤代有机化合物[44],DOM
发挥电子穿梭体作用可以加快电子转移,从而加快卤代烃还原降解。 Rau 等[45]研究发现醌类物质含量与氯
代有机污染物降解速率成线性相关。 Cervantes等[46]研究 CCl4 和 Doong等[47]研究 C2HCl3 降解过程时也得到
94摇 1 期 摇 摇 摇 毕冉摇 等:水溶性有机物电子转移能力及其生态效应 摇
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类似结果。
DOM可以转移电子使硝基苯类物质还原成相应的苯胺类物质,其电子转移能力受 DOM浓度和 pH 值等
因素影响[2,48]。 Dunnivant等[2]研究了在硫化氢作为电子供体的溶液中,硝基苯还原反应速率随着 pH值的升
高而增大。 DOM还可以加速偶氮有机物的还原,降低其环境污染毒性。 Weber 和 Zhang[30]研究发现 DOM 能
够作为电子穿梭体加速 4鄄氰基鄄4鄄氨基偶氮苯(CNAAzB)还原降解,Santos等[49]发现污泥中 DOM利用醌基加
快电子转移速率,从而加快偶氮染料的生物降解。
3. 3摇 DOM强化异化铁还原
Fe(芋) / Fe(域) 氧化还原电子对在重金属及有机污染物的还原过程中发挥着重要作用。 土壤环境尤其
是厌氧土壤中异化铁还原是铁循环的重要方式,即铁还原微生物利用 Fe(芋)作为最终电子受体进行的厌氧
呼吸过程。 Fe(域)还原重金属或有机化合物后自身转化为 Fe(芋),在铁还原微生物作用下,Fe(芋)又可以
接受电子后转化为 Fe(域)。 但是由于铁氧化物晶体结构及溶解性的差异导致铁还原微生物还原能力受到限
制。 1996 年,Lovley等[6]就提出腐殖酸能与 Fe(域)形成配合物,可以在铁还原微生物不直接接触铁氧化物的
情况下进行铁还原反应,即腐殖酸上的醌基通过充当 Fe(芋)还原微生物和 Fe(芋)氧化物之间的电子穿梭体
反复利用;同时相比于铁氧化物,铁还原微生物更易于腐殖酸接触[50鄄51]。 Lovley 等[6,50,52]众多研究表明,醌基
转移电子的能力加快铁还原微生物对于 Fe(芋)的还原速率,这为后期 DOM相关研究提供理论依据。
Anderson等[48]在研究 DOM对于 Fe(域)还原硝基化合物影响时发现,DOM的加入可以促进铁氧化物表
面吸附的 Fe(域)还原反应的发生。 其原因是:一方面 DOM可作为电子穿梭体加快电子的转移;另一面 DOM
的羧基、酚羟基为 Fe(域)在铁氧化物表面吸附提供配位点,加快 Fe(域)还原反应的限速步骤。 此外,DOM
与铁离子配合可以降低 Fe(芋) / Fe(域)的氧化还原电位,使得一些难还原的铁氧化物被还原[52]。
4摇 研究问题及展望
研究 DOM的电子转移能力及其作为电子穿梭体的循环性具有十分重要的生态环境意义。 已有研究已
经初步认识 DOM的电子转移能力,并发现其在重金属和持久性有机污染物转化降解方面的突出贡献。 DOM
在厌氧环境污染修复及维持碳库平衡等方面具有广阔的研究前景,但目前仍存在许多问题:1)DOM结构研究
有待深入:众多实验研究已经充分说明醌基官能团是 DOM 电子转移能力的主要来源。 但是由于 DOM 结构
复杂,至今尚无定论全面说明 DOM电子转移能力的结构原因。 传统化学方法难以有效确定 DOM 结构特性
而且测定过程中易于改变固有性质,多种光谱分析技术的应用弥补了此方面不足。 醌基的荧光特性决定了荧
光光谱分析技术(EEMs)在深入研究 DOM的结构特性方面具有积极意义[12,18,53];此外,紫外可见分光光度谱
(UV鄄vis) [16,18,53],傅里叶变换红外光谱法(FT鄄IR) [20,23],C鄄1近边 X 射线吸收精细结构谱(C鄄 1s NEXAFS) [20]
等光谱技术也均在 DOM研究中具有应用价值。 DOM电子转移能力本质是由结构特性所决定,所以从结构揭
示其机理,构建系统的电子转移途径将是未来的研究热点之一。 2)DOM电子转移能力影响因素的系统研究:
DOM电子转移能力的影响因素众多,但由于其结构的复杂性和取样的不易重复性,各种相关因素的影响效果
至今尚未清楚。 有待进一步深入研究分析环境因素对于 DOM 电子转移能力的影响,为 DOM 对污染物环境
行为的影响提供依据。 另外,在 Fe(芋) / Fe(域) 对重金属及有机污染物的还原能力较成熟研究基础上,进一
步研究 DOM鄄Fe(域)配合体系的电子转移能力及其生态效应。 3)发展 DOM厌氧环境应用技术:DOM在土壤
厌氧环境中可以优先接收微生物等提供的电子转移给环境污染物,发挥其在环境污染物原位修复中的作用,
但是关于 DOM作为电子穿梭体还原持久性有机污染物的研究仍不深入。 同时探究 DOM 介导厌氧环境异位
应用技术是今后研究重点之一。 其中,反应器构建、操作条件优化及优势微生物菌种富集,是实现该技术实际
应用于土壤和工业废弃物修复的关键。 4)DOM影响全球碳循环:DOM电子转移能力能够影响地球碳元素循
环。 如何从生态系统宏观尺度出发,研究 DOM在碳循环中的作用,是多学科多领域交叉的难点。
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25 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 1 January,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
Integrating ecological civilization into social鄄economic development WANG Rusong ( 1 )……………………………………………
The effect of land cover pattern on hillslope soil and water loss in the arid and semi鄄arid region: a review
GAO Guangyao, FU Bojie, L譈 Yihe, et al ( 12 )
……………………………
…………………………………………………………………………………
The status and trend on the urban tree canopy research JIA Baoquan, WANG Cheng, QIU Erfa,et al ( 23 )…………………………
Bioindicators and Biomonitors in Environmental Quality Assessment
Bernd Markert, WANG Mei忆e,Simone W俟nschmann,et al ( 33 )
……………………………………………………………………
…………………………………………………………………
Electron transfer capacities of dissolved organic matter and its ecological effects BI Ran,ZHOU Shungui, YUAN Tian,et al ( 45 )…
Autecology & Fundamentals
Antioxidative responses of Abies fabri seedlings to litter addition and temperature elevation
YANG Yang, YANG Yan, WANG Genxu,et al ( 53 )
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Effects of seed soaking with different concentrations of 5鄄aminolevulinic acid on the germination of tomato (Solanum lycopersicum)
seeds under NaCl stress ZHAO Yanyan, HU Xiaohui, ZOU Zhirong, et al ( 62 )………………………………………………
Influence of magnesium deficiency on chlorophyll fluorescence characteristic in leaves of Newhall navel orange
LING Lili, PENG Liangzhi, WANG Nanqi, et al ( 71 )
………………………
……………………………………………………………………………
Leaf traits of 66 herbaceous species in Songnen grassland in Northeast China
SONG Yantao, ZHOU Daowei, WANG Ping, et al ( 79 )
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effects of nectar secondary compounds on pollination of co鄄flowering species in a natural community
ZHAO Guangyin, LI Jianjun, GAO Jie ( 89 )
…………………………………
………………………………………………………………………………………
The continuous life鄄table of Leptocybe invasa ZHU Fangli, QIU Baoli, REN Shunxiang ( 97 )…………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Dominant climatic factors of Quercus mongolica geographical distribution and their thresholds
YIN Xiaojie, ZHOU Guangsheng, SUI Xinghua,et al (103)
…………………………………………
………………………………………………………………………
Fruit diet, Selectivity and Seed dispersal of Hatinh langur (Trachypithecus francoisi hatinhensis)
Nguyen Haiha, BAI Bing, LI Ning,et al (110)
………………………………………
……………………………………………………………………………………
The distribution of living coccolithophore in East China Sea in autumn, 2010 JIN Shaofei, SUN Jun, LIU Zhiliang (120)…………
The association of OPRK1 gene SNP with sika deer (Cervus nippon) diurnal behavior traits
L譈 Shenjin, YANG Yan,WEI Wanhong (132)
…………………………………………
………………………………………………………………………………………
Preliminary study on bird composition and diversity in Poyang Lake watershed during non鄄breeding period
SHAO Mingqin, ZENG Binbin, XU Xianzhu,et al (140)
……………………………
…………………………………………………………………………
Coexistence mechanism of two species passerines in man鄄made nest boxes LI Le, ZHANG Lei, YIN Jiangxia, et al (150)…………
Dynamics on soil faunal community during the decomposition of mixed eucalypt and alder litters
LI Yanhong, YANG Wanqin, LUO Chengde, et al (159)
………………………………………
…………………………………………………………………………
RS / GIS鄄based integrated evaluation of the ecosystem services of the Three Gorges Reservoir area (Chongqing section)
LI Yuechen,LIU Chunxia,MIN Jie,et al (168)
………………
……………………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
The distribution of soil organic carbon as affected by landforms in a small watershed of gully region of the Loess Plateau
LI Linhai,GAO Erhu, MENG Meng, et al (179)
……………
……………………………………………………………………………………
Effects of coastal geographical characteristics on the abundance of submerged aquatic vegetation
WU Mingli, LI Xuyong,CHEN Nianlai (188)
………………………………………
………………………………………………………………………………………
Analysis of soil physical properties under different vegetation types in the alluvial fan area of Manas River watershed
CAO Guodong, CHEN Jiehua, XIA Jun, et al (195)
………………
………………………………………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
Effects of farming on wetland soil seed banks in the Sanjing Plain and wetland restoration potential
WANG Guodong, Beth A Middleton, L譈 Xianguo, et al (205)
…………………………………
……………………………………………………………………
Effects of the microhabitats on the seedling emergence during the flooding disturbance
AN Hongyan, XU Hailiang, YE Mao, et al (214)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Analysis on the limiting factors to further improve yield of summer maize in Heilonggang River Valley
XU Lina, TAO Hongbin, HUANG Shoubing, et al (222)
………………………………
…………………………………………………………………………
Fungal diversity in rhizosphere soil of medicinal plants in Heilongjiang Province
MU Dongyan, L譈 Guozhong, SUN Xiaodong, et al (229)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Integrated assessment of mariculture ecosystem health in Sanggou Bay FU Mingzhu,PU Xinming, WANG Zongling,et al (238)……
Urban, Rural and Social Ecology
The integrative assessment on ecological quality status of Luoyuan Bay based on ‘OOAO principle爷
WU Haiyan, WU Yaojian, CHEN Keliang, et al (249)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Trophic state of seawater and ecological characteristics of phytoplankton in Sishili Bay
LI Bin, BAI Yanyan, XING Hongyan, et al (260)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Ecological footprint depth and size: new indicators for a 3D model FANG Kai (267)…………………………………………………
Landscape dynamics of medium鄄 and small鄄sized cities in eastern and western China: a comparative study of pattern and driving
forces QI Yang, WU Jianguo, LI Jianlong, et al (275)……………………………………………………………………………
Research Notes
Prediction of bacterial species richness in the South China Sea slope sediments LI Tao, WANG Peng (286)…………………………
Spatial pattern of seedling regeneration of Ulmus pumila woodland in the Otindag Sandland
LIU Zhen, DONG Zhi, LI Hongli, et al (294)
……………………………………………
……………………………………………………………………………………
Impacts on seed germination features of Eupatorium adenophorum from variable light stimulation and traditional dormancy鄄broken
methods JIANG Yong, LI Yanhong, WANG Wenjie,et al (302)…………………………………………………………………
Opinions
Discus for classification of plant association XING Shaohua,YU Mengfan,YANG Lijuan,et al (310)…………………………………
613 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
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究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
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