给河流做个核磁共振，首次揭示淡水有机质的种类和特征
溶解有机质(DOM)是地球上最复杂、最活跃、最丰富的有机碳来源之一，但其化学反应性至今仍是一个谜。自养生物的代谢目前已经被人们很好地理解了，这些生物的代谢产生了有限数量的有机分子，通常是比较小的生物分子或由小的重复单元聚合而成的寡聚物。然而，与生物分子相比，在自然水体和土壤中积累的大多数DOM似乎非常复杂并且非常难降解。由于对DOM的成岩作用认识不足，产生了许多不准确的假设，人们尚且缺乏生物分子与观察到的DOM分子复杂性之间的牢固联系。水系DOM代表了不同阶段的生物和非生物在不同的温度、光化学和季节性条件下相互作用所产生的物质。在热带和北方生物群落中观察到这些物质的种类和含量拥有巨大的反差。亚马逊流域是一个典型的热带集水区，也是世界上最大的排水系统，占全球淡水排放量的20%，占全球向海洋输出河流DOM的10%左右。亚马逊生物群系包括多样的植物、动物和微生物，构成了亚马逊DOM (AZ-DOM)的来源；高温加上高湿导致快速的生物和化学降解，因此影响着有机化合物的产生和降解以及碳通量。亚马逊生态系统的赤道位置也促进了AZ-DOM的光氧化和矿化。亚马逊河中陆源和水生有机物的加工产生了全球内陆水域二氧化碳排放量的四分之一，几乎与森林所吸收的碳量相当。
亚马逊河流域包括三种主要的水系类型：白水河是浑浊的，发源于安第斯山脉，从那里运送了大量营养丰富的沉积物。黑水河流(如内格罗河)始于前寒武纪的圭亚那地盾，携带少量的悬浮物，但大量的腐殖质。清水河(如新谷河)具有高透明度、低含沙量、低营养和较多细菌的特点。北方森林生物群落是除湿润热带地区之外的第二丰富的区域，覆盖了50°N至70°N范围内约14%的地球陆地面积，与森林和沼泽、沼泽和泥炭地等湿地有关，这些湿地储存和处理了大量的碳。北方湖泊DOM的分子组成被认为是由微生物合成降解、降水、温度、土地覆盖和水停留形成的。
Li Siyu博士
近日，来自德国环境卫生研究中心的Norbert Hertkorn教授团队使用互补多重编辑的13C NMR谱量化了来自亚马逊四条主要河流和两个瑞典北方中型湖泊的DOM碳骨架的关键子结构，发现在有机合成化学中广泛用于制备天然产物支架的一种反应机制，即氧化脱芳化(ODA)，可能是在DOM加工过程中产生结构多样性的关键驱动因素，而DOM富含合适的多酚前体分子。该工作以题为“Dearomatization drives complexity generation in freshwater organic matter”发表在《Nature》上，正文仅仅2张图，论文的第一作者为Li Siyu博士。
值得注意的是，Li Siyu博士求学经历非常丰富：
2011-2015年，在华东理工大学材料科学与工程学院读博，在researchgate上，并没有显示科研成果，或许是作者没有更新。
2015-2018年，前往中国人民大学读博， researchgate显示，或许是作者没有更新其他成果，期间以第一作者在RSC Advances发表论文1篇。
2018-至今，前往德国慕尼黑亥姆霍兹中心读博，researchgate显示，以第一作者发表 ACS ES&T Water 、 The Science of The Total Environment各一篇。
直至近日，Li Siyu博士科研成果登上Nature，十余年，辗转多地求学，读了3个博士？终于迎来高光时刻，让人敬佩。researchgate显示，2024年4月，她已经回国效力，加盟中国科学院环境化学与生态毒理学国家重点实验室，从事博士后研究。
【DOM的13C NMR】
先前的质谱研究已经在热带和北方的DOM中发现了数千种离子，并显示了亚马逊盆地和北方湖泊不同水域DOM的区别。尽管高分辨率质谱法在识别复杂混合物中的元素组成和分子式方面提供了卓越的能力，但这种分析提供的具体结构信息非常有限。核磁共振波谱提供了分子内近距离原子顺序的同位素特异性测定，以及解释未知分子复杂混合物中的分子结构的独特能力。为此，作者使用互补多重编辑的 13C NMR谱来量化亚马逊四条主要河流和两个瑞典北方湖泊中DOM碳骨架的关键子结构。
13C NMR谱可以检测DOM分子中的所有碳原子。结合多重编辑DEPT(极化转移无扭曲增强)、QUAT(季碳)和单脉冲 13C NMR分析，定量分析了五种DOM中季碳(C q)、甲基(CH)、亚甲基(CH 2)和甲基(CH 3)碳的四种基本化学环境。这些CH 0123谱显示了宽 13C NMR峰，代表了DOM分子碳骨架的核心碳基结构单元。 13C NMR得出的平均O/C(氧碳)原子比依次为N-DOM(内内罗河中的DOM) > S-DOM (Solimões河中的DOM) > T-DOM (Tapajós河中的DOM) > B-DOM(北方湖泊中的DOM) > A-DOM(亚马逊河中的DOM)。平均H/C(氢碳)原子比大致为N-DOM < T-DOM < S-DOM < A-DOM < B-DOM的倒序，说明DOM中的主要含氧官能团与不饱和碳单元相关，如C sp2基羰基(C 2C = O)、羰基衍生物(CONH、COOH和COOR)、含氧芳香碳(Car-O;多酚)和烯烃等。
与其他4种DOM相比，B-DOM显示出更高的脂肪族质子与脂肪族碳的比率，表明其脂肪族单元内的H/C比更高。单氧脂肪基(OCH)的丰度依次为B-DOM > N-DOM > A-DOM≈S-DOM > T-DOM；O 2CH和OCH单元的总和也有类似的趋势，但N-DOM和A-DOM中的高氧多酚对δ C≈90-108 ppm也有贡献。在5种DOM中，N-DOM的多酚分子比例最高，分子多样性最大，覆盖了该类分子的最大 13C NMR化学位移范围。DOM中羧酸在丰度(S-DOM > N-DOM > B-DOM≈T-DOM≈A-DOM)和结构多样性上存在显著差异，其中N-DOM和A-DOM差异最大。脂肪族羧酸的相对丰度在N-DOM和A-DOM中最低。DOM中酮的丰度在T-DOM、N-DOM和S-DOM中较高，在B-DOM和A-DOM中较低。
图1. 五种DOM的碳谱
【DOM中含有丰富的季碳】
在5种DOM中，C q在总碳中所占的比例都非常高(N-DOM: 66% > A-DOM: 62% > S-DOM: 60% > T-DOM: 58% > B-DOM: 56%)，而在常见的富氢初级/中心代谢产物中，C q所占的比例相对较小(约15%)。5种DOM的 13C NMR谱中的C q组成了9个主要结构环境。此外，C q和CH的总和超过了五种DOM总碳的80%，表明DOM分子的高度不饱和，这是任何普通富氢生物分子的组合都无法实现的。基于C sp2的C q单元包含常见的不饱和官能团(即C 2C = O, COOH, CONH, COOR, C arO和C arC, C 2C = C)。羧基COOH(约占16%)是DOM分子中含C q最多的官能团。此外，我们观察到C sp3基C q单元，特别是OC qC 3(约6%)和C qC 4(约7%)；O 2C qC 2单位也存在，但非常罕见。
热带河流和北方湖泊DOM的质谱显示DOM的平均H/C比较低，这种相当大的不饱和通常是由于存在基于C sp2的缺氢结构，如酮、羧酸、烯烃和多酚。许多不同的氧化过程都会导致酮和羧酸，河流DOM通常含有大量的多酚。然而，与三角平面sp 2杂化C q相比，基于C sp3的四面体C qC 4和OC qC 3单元在DOM分子中的存在意味着更严格和完全独立的结构约束。与基于C sp2的单苯环和稠合苯环的结构平面相比，C qC 4和OC qC 3单元是脂肪族分支的最终载体，并且必须深深嵌入具有复杂三维形状的分子中。C qC 4和OC qC 3单元的高丰度传达了DOM分子富含脂肪族不饱和结构的特征，如含有多个四面体碳立体中心的多个融合和桥接脂环。值得注意的是，C qC 4单元可能起源于许多不同的化学前体和过程，而OC qC 3单元的来源多样性有限。OC qC 3亚结构在普通代谢物中非常罕见，它不发生在典型的碳水化合物、木质素、脂质、核苷酸和肽中。然而，它在本研究的所有五种DOM中都非常丰富，大约占所有碳含量的6%，相当于约30%的氧合脂肪族(OCH)单位。这就要求跨生物群系淡水中OC qC 3单元的相关性和直接合成。在5种DOM中，OC qC 3单元在B-DOM中含量最多，在T-DOM和N-DOM中含量最少。此外，我们发现含有供电子取代基(-OH和-OCH3)的苯衍生物的丰度在N-DOM中最高，在B-DOM中最低。
【氧化去芳构化在淡水DOM中造成了复杂性】
北方湖泊和热带河流DOM中OC qC 3单元的高丰度很可能是由于大量羟基化和甲氧基化苯衍生物的氧化去芳构化（ODA）导致的，这些衍生物最终源于木质素和单宁降解产物，这些产物是陆地DOM的常见成分。含氧取代基的共振电子赋能使苯环不稳定，使其容易转化为第一代合成产物，包括喹啉类和醌类化合物。这些环己二烯酮都可以通过淡水DOM中丰富的常见芳香亚结构的直接反应获得。环己二烯酮脱芳化反应是生成复杂结构的关键生化反应，也是目前有机合成化学中应用最广泛的生成复杂结构的反应之一，用于生成复杂的天然产物骨架。作者认为它也是DOM处理中的关键环境机制。环己二烯酮在六元环的每个位置都表现出取代基依赖的原子特异性反应性(即取代基依赖的亲电性和亲核性)，为各种后续反应奠定了基础。例如，环己二烯酮容易进行正和逆Diels-Alder反应([4 + 2]环加成)、[m, n]环加成、环化、加成、还原等。ODA和[4 + 2]环加成反应可以将5个sp 2杂化碳原子转化为5个sp 3杂化碳原子。ODA通过生物和非生物机制发挥作用。通过其光化学、氧化还原自由基、离子和酶变体的互补选择性去芳构化，进一步扩大了分子多样性。这种方式容纳了大量混杂的底物，为大规模DOM处理提供了机会。从根本上说，ODA将芳环转化为含氧脂肪族分子，这些分子富含四面体C sp3 原子。DOM中的芳香族前体分子通常具有较大尺寸、多取代、多氧、分子多样性和低对称性。这些分子的ODA化学会产生高度复杂的富氧脂环DOM分子混合物。
作者认为，在热带和北方淡水生态系统中，氧合芳香DOM分子的ODA化学是合成含OC qC 3单元、高度复杂、富氧脂环DOM分子不可或缺的引发剂。ODA早期产生的分子已经含有带有几个四面体立体中心的融合和桥接的脂环，从而减少了碳原子和氧原子之间的化学键数。氧原子嵌入到脂肪碳网络中是淡水DOM分子的一个特殊结构特征。相比之下，普通代谢物中的碳原子有规律地聚集在一起，而氧原子要么被稀释(如脂类和多肽)，要么被浓缩(如碳水化合物)。另外两种产生OC qC 3碳单元的环境合成途径是已知的，但与ODA相比相关性不大。一种是在前体分子中选择性保存OC qC 3单元，如氧合萜类。另一种是富含能量的羟基自由基对DOM分子的非选择性进攻。羟基化也可以从合适的脂肪族前体生成OC qC 3碳单元。由这些反应引起的来自高度多样化分子的相当分散的OC qC 3单元输入到生态圈中，很可能在北方和热带DOM的分子转化中与ODA不产生竞争，其中高达50%的碳可以与易受ODA影响的结构特征相关。
图2. DOM中ODA的主要合成物及化学反应
【基于COOH的重排与ODA协同】
ODA和羧酸化学在DOM的加工过程中起互补作用。羧基是富羧基脂环分子(CRAM)的主要特征，在水系统的DOM中普遍存在。DOM中几乎普遍存在大量高脂肪族CRAM，这很难用普通微生物或光化学反应途径来解释。ODA从根本上通过几个步骤的级联反应产生DOM分子的结构复杂性，我们提出ODA产物的羧基化是导致CRAM的直接途径。COOH是一个高活性的附着C q单元，而DOM分子中所有其他C q原子都连接到两个或多个碳原子上。DOM的 13C NMR谱上的CRAM现象表明DOM中存在脂肪族和芳香族羧酸和脂环。然而，DOM中这两种结构单元的高丰度，以及DOM分子的相当大的尺寸，可以推测在大多数DOM分子中都存在这两种子结构。微生物和非生物氧化DOM利用分子氧及活性氧生成羧基，这是在含氧地表水中DOM的有效处理步骤。
作者提出COOH化学是DOM在环境处理过程中向更紧凑分子结构演变的关键修饰剂，它增加了DOM分子中组成原子之间的平均化学键数以及季碳和甲基碳单元的比例，而牺牲了亚甲基和甲基单元。常见的水生DOM含有的含N或含S官能团比含O官能团少，它们对总体 13C NMR性质的影响仍然有限。然而，在北方和热带流域条件下，吡咯、吡啶、吲哚和苯胺衍生物等前体的脱芳构化很容易产生结构复杂的类生物碱CHNO分子，这可能是DOM中淡水CHNO化合物的主要成分。
在DOM分子进化过程中，CO 2和CH 4等小单位比大的亚结构更容易丢失。ODA很容易解释观察到的DOM分子最终结构多样性，这些序列已经从DOM成岩的早期阶段开始，因为它们往往会在早期丢失。由低质量、高质量、低对称的氧化芳香族管道通过ODA生成的DOM分子具有复杂的形状，具有大量sp 3杂化碳、融合和桥接脂环、手性碳原子以及氧基和氮基功能化的存在。在结构上，当具有低数量的自由旋转键的分子片段可以比扁平芳香分子传递更特定的配体-受体相互作用。DOM是全球相关的终极有机分子复杂性，包含数千亿吨有机碳，比已知的生物活性天然产物多几个数量级。可以想象，这些多功能的分子中有一些携带着相关的但尚未被认识到的生物活性。
总结，这项研究探讨了氧化去芳构化在淡水有机物中，特别是溶解有机物（DOM）中推动复杂性生成的作用。通过使用多重编辑的 13C NMR谱，研究人员从亚马逊河和瑞典北部湖泊的DOM中识别了关键亚结构，突出了ODA在创造结构多样性方面的重要性。研究表明，ODA是一种在有机合成化学中常用的反应机制，在生成新的含氧脂肪分子和加速DOM处理中的复杂性方面发挥着关键作用。这项研究揭示了DOM的神秘化学反应性及其在全球碳循环中的重要性。
来源：高分子科学前沿
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