环境微界面连接了不同的介质,参与多种微尺度的生物、生物化学和物理化学反应,相对于均相体系而言具有许多独特的性质。从分子水平上阐释环境微界面上的反应过程具有重要的意义。本论文工作以环境中典型的生物和非生物微界面为研究对象,利用多种分子光谱技术结合化学计量学方法,对其理化性质和环境行为进行深入的探究。主要研究内容和结果如下:1.生物微界面的三维拉曼成像和数据分析方法的构建。生物膜是环境中典型的生物微界面,由细菌及其胞外聚合物附着在界面上形成。对生物膜化学组成和空间结构的认知有助于更好地理解其环境行为和发展针对性的控制策略。以Pseubomonas aeruginosa和Pseubomonasputida两种含水生物膜为对象,使用非负矩阵分解(NMF)结合三维拉曼成像对其化学组成和相应的空间结构进行解析。结果表明,成熟的P.aeruginosa生物膜“蘑菇状”结构中主要化学组分为细胞、蛋白质和糖脂,P.putida生物膜中则存在细菌、聚羟基烷酸脂(PHA)和蛋白质。这些组分在生物膜内部的空间分布具有异质性,并与其生理功能和周围的微环境相关。该方法不需要提供样品的先验知识,特别适用于生物微界面非靶向的研究。2.生物膜基质时空分布的三维拉曼成像分析。生物膜形成是一个复杂的动态过程,它赋予了细菌许多不同于浮游状态的特性,并帮助细菌在不利环境下存活,因而研究生物膜的生长过程十分必要。以Escherichia coli为对象,利用三维拉曼成像结合NMF解析了不同生长阶段E.coli生物膜基质的主要化学组分,并对其空间分布进行可视化和定量分析。结果表明,在不可逆粘附和早期发展阶段,生物膜内主要存在细菌和蛋白质;在成熟阶段,则出现大量的聚羟基丁酸酯,这与细菌的基因转移能力相关。除随时间变化外,这些组分的空间分布也各不相同,蛋白质主要位于生物膜中上层,而聚羟基丁酸酯则集中在生物膜底部。该方法深入阐释了生物膜基质在生长过程中的变化情况,揭示了其化学组成和空间结构的密切关联,有助于加深对生物膜的理解。3.生物膜在消毒过程中变化的三维拉曼成像分析。在饮用水分配系统中形成的生物膜对人体健康具有负面影响。氯和氯胺是两种常见的二级消毒剂,但它们对生物膜的控制作用有限。使用三维拉曼成像结合NMF分析发现,成熟的P.putida生物膜中主要包括了细菌、聚羟基烷酸脂和蛋白质,其中聚羟基烷酸脂主要分布在生物膜的中下层。在施加反应活性较强的氯后,生物膜空间结构被破坏并在一周内重建,重建生物膜的上层存在较多的聚羟基烷酸脂;而生物膜在施加氯胺一周后,厚度减小,合成了糖原而不是聚羟基烷酸脂,说明P.putida而改变了代谢通路,以抵御氯胺的影响。此外,生物膜中还产生了较多的蛋白质以提供物理化学屏障,降低消毒剂的渗透性。这些结果证明了生物膜对氯胺和氯两种消毒剂抵御机制的差异性,也暗示多种消毒剂的交替使用可能更好地控制生物膜的生长。4.溶解性有机质(DOM)与长链离子液体(ILs)相互作用的光谱解析。超分子聚合物DOM在自然界中广泛存在,其含有多种化学活性官能团,提供了污染物吸附的微界面。利用同步荧光光谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR),结合动态光散射和zeta电位技术研究了长链ILs与DOM的相互作用,并通过二维相关分析(2DCOS)、异谱2DCOS及扰动相关移窗二维相关分析将所获信息进行整合和解析。结果表明,ILs浓度较低时,相互作用主要来源于腐殖酸类组分中羧基的阳离子交换。此时,由于静电斥力的减少和疏水性的增加,DOM和ILs形成结构松散的聚集体。随着ILs浓度的增加,芳香基团和羰基分别通过π-π和偶极-偶极相互作用参与吸附,导致了 DOM分子内氢键的破坏。又由于疏水的增强,DOM聚集体变得更加致密。该方法全面解析了 DOM和长链ILs相互作用的机制,有助于更进一步的评估ILs的环境行为。此外,该集成方法在解析环境微界面的复杂反应体系中具有独特的优势。5.蛋白质在膜界面构象转变的红外光谱分析。DOM中的蛋白质是造成不可逆膜污染的重要化学组分。蛋白质吸附层的硬度等性质与蛋白质和膜的物理化学性质相关。使用衰减全反射红外光谱结合多变量曲线分辨-交替最小二乘方法和2DOCS分析,系统研究了溶菌酶和牛血清蛋白这两种模型蛋白质分别在亲疏水性不同的醋酸纤维素、聚醚砜、聚偏二氟乙烯膜上的吸附过程。结果表明,牛血清蛋白在疏水性膜界面上发生解折叠并聚集,而在亲水性膜界面上,其解折叠并形成新的α螺旋结构,伸展链持续增多。溶菌酶在三种膜表面均发生聚集,从紧密的α螺旋构象转变为更加开放的β折叠结构,且在吸附初始阶段,疏水性的聚偏二氟乙烯膜诱导溶菌酶发生解折叠。该工作在分子水平上探究了蛋白质与膜的相互作用机制,有助于发展膜污染的控制方法和研制新型膜材料。