【摘要】 本文系统解析傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）如何通过超高分辨率突破DOM分子表征瓶颈。聚焦其在环境科学两大核心方向的应用：1.碳循环机制——沉积物有机质追踪、微生物介导碳周转、污染物胁迫响应；2.​水处理工艺优化——废水DOM转化机制、高级氧化工艺调控。 结合近一年高分文献（如Water Research、Global Change Biology）及科学指南针用户案例，揭示分子层面洞察如何推动环境研究突破。

文末领取免费测优惠券

溶解性有机质（DOM）作为环境介质中的关键活性组分，其分子组成解析长期受制于传统分析手段的分辨率瓶颈。电喷雾电离（ESI）耦合傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）凭借其超高质量分辨能力（分辨率 >106），为DOM分子表征提供了突破性解决方案。相较于普通的质谱技术，FT-ICR-MS的质量分析器是目前分辨能力最高的存在。其数据采集方式与普通扫描式质谱（如四极杆、飞行时间等）存在本质区别，核心在于能够同时检测所有离子，记录这些离子运动产生的复杂时域波形信号，然后通过强大的傅里叶变换（FT）技术将这个时间信号“翻译”成超高分辨率的质谱图。而普通质谱则如同探照灯一般，逐个“扫描”并记录不同位置的离子强度。这种根本性的差异正是FT-ICR-MS实现其卓越性能（超高分辨率、超高准确度）的基础。

那么，拥有如此“火眼金睛”的FT-ICR-MS，究竟在DOM研究领域照亮了哪些关键方向，带来了哪些前所未有的洞察呢？ 接下来，我们将聚焦FT-ICR-MS在DOM研究中的核心应用方向，涵盖碳循环机制解析（包括沉积物有机质变化与追踪、微生物介导的碳周转、污染物胁迫下碳稳定性响应）与水处理工艺优化（包括废水处理中DOM的转化、高级氧化工艺优化）两大维度，结合近一年前沿案例阐释FT-ICR-MS技术如何推动环境科学突破。

 

01研究方向1：碳循环机制解析——沉积物有机质变化与追踪

题目：Mechanism deciphering of variation of soluble organic carbon storage during the sedimentary period in lacustrine sediments  湖泊沉积物可溶有机碳储量在沉积时期变化的机理解析

期刊名称：Water Research

影响因子：11.4

测试项目：总有机碳（TOC）、溶解有机碳（DOC）、总氮（TN）、可溶性有机氮（DON）等常规理化性质指标、FT-ICR-MS、高通量测序分析等

主要研究结论：本研究以中国跨越约4000公里的森林带为背景，探究了土壤溶解性有机质（DOM）分子多样性与微生物群落多样性之间的关系。中国森林土壤DOM的分子多样性在空间上高度异质，随纬度先升后降。土壤DOM的分子组成（尤其脂质、芳香类、碳水化合物类）对土壤微生物多样性有显著影响，对细菌和真菌的作用机制不同。气候（如温度）、土壤pH等环境因子通过DOM化学多样性影响微生物多样性，DOM为关键中介。该研究为理解森林土壤碳循环和微生物生态系统功能提供了新见解，对全球变化背景下森林碳库稳定性具有重要意义。

 

02研究方向2：碳循环机制解析——微生物介导的碳周转

题目：Effects of DOM chemodiversity on microbial diversity in forest soils on a continental scale DOM化学多样性对大陆尺度森林土壤微生物多样性的影响

期刊名称：Global Change Biology

影响因子：10.8

测试项目：总有机碳（TOC）、溶解有机碳（DOC）、总氮（TN）等常规理化指标、δ¹³C同位素、铅铯定年、EEMs、FT-ICR-MS等

主要研究结论：通过测定CO₂释放量及δ¹³C值，量化秸秆碳的矿化与固定区分秸秆来源碳与原有土壤碳的动态，明确POM和MAOM对秸秆碳的固定效率及SOC矿化的贡献差异。通过16S rRNA基因测序与宏基因组分析测试揭示POM和MAOM中微生物群落的演替规律及其功能分化。MAOM通过矿物吸附固定更多秸秆碳（如Fe/钙结合碳），但其SOC矿化强度显著高于POM，可能与微生物共代谢加速原有SOC分解有关。POM中秸秆碳矿化量更高，但因其物理保护作用（如大孔隙通气性），整体碳固定效率低于MAOM。该研究通过多维度分析，揭示了POM和MAOM中微生物驱动的碳动态差异，为优化秸秆还田策略以提升土壤固碳潜力提供了理论依据。

 

03研究方向3：水处理工艺优化——废水处理中DOM的转化

题目：Transformation of dissolved organic matter during aquaculture wastewater treatment: Insights into the biological toxicity, spectral indices and molecular signatures 养殖废水处理过程中溶解性有机质的转化特征：生物毒性、光谱指数与分子标志物的解析

期刊名称：Water Research

影响因子：11.4

测试项目：DOC、COD等常规理化性质指标、3D-EEM、FT-ICR-MS、生物毒性等

主要研究结论：本研究以中国广泛应用的“3塘2坝1湿地”（3P-2D-1W）水产养殖废水处理系统为对象，探讨了溶解性有机物（DOM）的转化机制及毒性组分。3P-2D-1W能有效削减养殖废水的有机污染物和毒性。3P-2D子系统去除59.4%溶解性有机碳（DOC）和降低55.4%毒性（抑制率）。加入人工湿地后，出水DOC降至12.3mg/L，抑制率7.16%，优于原养殖河水。DOM毒性与DOC、COD、腐殖化指数（HIX）和芳香性指数（AImod）显著正相关，关键毒性贡献者为脂肪族化合物和高不饱和酚类化合物。系统对有毒难降解DOM分子选择性去除有限，其毒性持久，且与有机污染物浓度高度相关，提示需采用高级氧化等深度处理。人工湿地单元在有机氮转化和分子反应多样性方面作用突出，但曝气塘存在冗余且可能增加出水毒性。研究建议优化系统，如减少冗余环节并引入高效深度处理技术。

 

科学指南针用户文章案例04科学指南针客户测试FT-ICR-MS发表文献

题目：Planting Enhances Soil Resistance to Microplastics: Evidence from Carbon Emissions and Dissolved Organic Matter Stability 种植增强了土壤对微塑料的抵抗：基于碳排放与溶解有机质稳定性的证据

期刊名称：Environmental Science & Technology

中科院分区和影响因子IF：1区TOP（10.8）

主要研究结论：该研究探讨了微塑料（MPs）对土壤有机碳矿化、溶解性有机物（DOM）组成及微生物群落的影响。主要结论如下：微塑料显著增加土壤碳矿化和CO₂排放，且未种植植物的土壤受微塑料影响更大；微塑料通过影响土壤有机碳和微生物作用调节碳循环，微塑料处理提升了未种植土壤中碳水化合物降解相关水解酶（如β-葡萄糖苷酶）的活性，增强了碳周转速率；但在种植土壤中则降低了该酶活性，使微生物分解过程发生转变。综上，微塑料通过影响土壤有机碳分解、酶活性和微生物网络，促进土壤碳释放，进而对碳循环和生态系统平衡构成威胁，而植物在一定程度上具有缓冲和调节作用。

 

05科学指南针客户测试FT-ICR-MS发表文献

题目：Molecular-level insights into the synergistic activation of peracetic acid by ultraviolet and ferrous ions for the degradation of sedimentation sludge water in drinking water treatment plants based on Fourier transform-ion cyclotron resonance mass spectrometry 基于傅里叶变换离子回旋共振质谱的紫外-亚铁协同活化过氧乙酸降解饮用水厂沉淀污泥水的分子机制研究

期刊名称：Separation and Purification Technology

中科院分区和影响因子IF：1区TOP（8.1）

主要研究结论：该研究通过紫外（UV）/亚铁离子（Fe²⁺）协同活化过氧乙酸（PAA）的高级氧化工艺，实现了对饮用水处理厂沉淀污泥水中溶解性有机物的高效降解，降解率达到82%，并显著去除了84.5%的荧光组分，分子强度和数量分别减少了90.9%和69.8%。研究证实羟基自由基和乙酰氧自由基是主要的活性物种，通过加氧/脱氢和弱电子转移促脱羧机制有效降解有机物，显著降低了DOM的芳香性并生成更氧化、稳定的产物，同时优先去除了含氮/硫杂原子的消毒副产物前驱体。该工艺对常见阴离子干扰不敏感，展现出良好的实际应用潜力，为沉淀污泥水的安全回用提供了重要的分子机制依据和技术支持。

 

06科学指南针客户测试FT-ICR-MS发表文献

题目：Mass Flow and Metabolic Pathway of Nonaeration Greywater Treatment in an Oxygenic Microalgal–Bacterial Biofilm 富氧微藻-细菌生物膜处理非曝气灰水的物质流动与代谢途径

期刊名称：Environmental Science & Technology

中科院分区和影响因子IF：1区TOP（10.8）

主要研究结论：本研究以开发无曝气微藻-细菌共生生物膜反应器（MBBfR）用于灰水净化为目标，系统考察了水力停留时间变化下共生生物膜的结构、组分、微藻与细菌动态及其对有机物（COD）、烷基苯磺酸盐（LAS）和总氮去除的贡献，通过质量平衡和功能基因组分析揭示了微藻和细菌在碳氮循环中的分工与机制，弥补了传统处理工艺对能耗与资源回收的不足，为低成本高效废水处理与资源化利用提供了理论与技术基础。

 

从上面这些高分文章，不难看出，FT-ICR-MS在分子层面表征DOM是强有力的分析工具。为了确保测试结果的准确性和仪器的高效运行，样品前处理是必不可少的步骤。科学指南针环境检测可提供前处理+测试+数据可视化分析服务。常规的前处理是通过固相萃取来富集目标物质，随后上机测试采集数据，仪器为Bruker SolariX型15T FT-ICR-MS。

如您有检测需求，详情可咨询：

 

下期重磅预告

稳定同位素技术在环境科学中的应用

内容包括

1.技术原理：稳定同位素技术通过检测碳（δ13C）、氮（δ15N）、氧（δ18O）等同位素比值差异，追溯物质迁移路径。基于同位素分馏效应，结合质谱分析技术，可解析生态系统中的碳氮循环机制。

2.采样规范：正确的采样方法是实验成功的基础，下期我们将介绍常见的几种样品类型如何采样。

3.案例解析：基于前沿研究方向，解读高分文章及在指南针测试的客户发表的文章。