研究背景：
全球人口快速增长和经济活动加剧，加之卫生设施不足与管理不善，导致大量有毒废水进入水生生态系统，成为环境可持续发展的紧迫挑战。废水中的溶解性有机物（DOM）成分复杂，包含碳水化合物、氨基酸、人为有机污染物等多种物质，是水生毒性的主要贡献者。然而，当前废水监测主要依赖化学需氧量（COD）等总量指标，无法揭示 DOM 的具体分子组成，难以识别毒性驱动成分，而 DOM 的毒性和生态行为主要由分子组成而非总浓度决定。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）等超高分辨率质谱技术的发展，为废水 DOM 的分子水平表征提供了可能，有望破解毒性驱动因子识别的难题。现有研究多聚焦特定区域或少量污水处理厂，缺乏全国尺度的系统性调查，且中国地域辽阔、区域差异显著，废水组成和毒性特征存在较大变异性。此外，新兴证据表明社会经济因素会显著影响城市废水中污染物的组成和浓度，但这些因素通过何种分子介质影响废水整体毒性，尚未在全国尺度开展系统性探究，这一认知缺口限制了源头导向的有效废水管理策略制定。研究目的：
本研究旨在通过全国尺度的大规模调查，系统揭示城市废水整体毒性、分子组成与城市社会经济因素之间的复杂关系。具体目标包括：分析中国 100 座城市污水处理厂进水的毒性空间变异特征；利用 FT-ICR MS 技术识别与废水毒性相关的关键分子特征；评估城市层面社会经济因素对废水整体毒性的影响；探究社会经济因素通过分子组成介导废水毒性的潜在路径，为制定针对性、精准化的废水毒性控制策略提供科学依据。研究方法：
本研究采用大规模采样与多技术结合的方法：2020 年 9 月至 2021 年 4 月，在中国 30 个省级行政区选取 100 座代表性污水处理厂，收集无降雨条件下的进水样本，涵盖不同处理规模（0.03×10⁴-280×10⁴吨 / 天）和处理技术。样本处理后，采用斑马鱼胚胎毒性试验（ISO 标准方法）评估废水整体毒性，以半数致死浓度（LC₅₀）表征毒性强度；通过固相萃取（SPE）提取 DOM，利用 15T FT-ICR MS 在负离子模式下分析其分子组成，依据严格标准分配分子 formula，将化合物分为 CHO、CHON、CHOP、CHOS 四类；采用机器学习方法（含 CatBoost 回归、梯度提升回归等 10 种算法），构建不同化合物类别的 LC₅₀预测模型，通过 SHAP 分析识别关键毒性相关分子特征；利用广义加性模型（GAMs）分析城市社会经济指标（GDP、人口密度等）与废水毒性的关联；通过偏最小二乘路径模型（PLS-PM）探究社会经济因素 - 分子组成 - 废水毒性的中介关系。所有实验均设置质量控制措施，确保数据可靠性。主要发现：
- 废水毒性呈现显著空间异质性：南方和东部城市进水 LC₅₀值较低（<REF4.0），毒性较强；北方和内陆地区 LC₅₀值较高（>REF9.0），毒性较弱；FT-ICR MS 分析识别出 34 种主要分子特征，聚类分析显示不同城市废水 DOM 的氧化态、芳香性及主要分子群组（脂质类、蛋白质类等）存在明显差异。
- CHO 类化合物是废水毒性的核心预测因子：机器学习模型中，CHO 类化合物模型预测性能最优，CatBoost 回归模型的 R² 达 0.84，远高于 CHON（R²=0.68）、CHOP（R²=0.59）和 CHOS 类（R²=0.59）；SHAP 分析表明，不饱和烃类、稠环烃类和氨基糖类化合物是 CHO 类中贡献最大的三类毒性相关分子特征，代表性多环芳烃的靶向验证进一步证实了模型预测的可信度。
- 社会经济因素显著影响废水毒性：GAMs 分析显示，GDP、人均 GDP、人口总量、人口密度、第二产业总产值、医疗机构数量与废水 LC₅₀呈显著负相关（p<0.05），即经济发展水平越高、人口越密集、工业活动越频繁的城市，废水毒性越强；其中，医疗机构数量超过每千单位 8 个时，LC₅₀急剧下降，其余 5 个指标与毒性呈近线性负相关。
- 分子组成介导社会经济因素对废水毒性的影响：PLS-PM 分析证实，社会经济因素通过改变废水分子组成间接影响毒性，社会经济指标对分子组成的效应值为 0.466（p<0.001），分子组成对毒性的效应值为 0.288（p<0.01）；相关性分析显示，GDP 和医疗机构数量与不饱和烃类化合物关联最强（占比 50%），第二产业总产值与稠环芳烃类化合物高度相关，人均 GDP 和人口总量则与氨基糖类化合物聚类，不同社会经济因素对应独特的分子特征谱。
结论：
本研究通过全国尺度的大规模调查和分子水平分析，揭示了社会经济发展通过特定分子路径影响城市废水整体毒性的关键机制。CHO 类化合物（尤其是不饱和烃类、稠环烃类和氨基糖类）是废水毒性的核心驱动因子，而 GDP、人口密度、工业活动强度等社会经济因素通过增加这类有毒前体物的含量，加剧废水毒性。研究结果表明，废水毒性不仅取决于污染物负荷，更受社会经济发展塑造的分子组成主导，传统基于总量指标的末端治理难以实现精准控毒。因此，经济发达城市应优先实施精准毒性控制策略，上游聚焦与关键有毒分子相关的污染源（如石油基消费品、工业生产过程、医疗废物）加强排放管控，下游升级污水处理工艺（如臭氧氧化、活性炭吸附等）靶向去除 CHO 类有毒前体物。本研究为推动废水管理从浓度控制向组成控制转型提供了科学支撑，也为全球类似地区的水污染治理提供了借鉴。污水处理厂在中国广泛部署，旨在降低废水整体毒性并减轻其对水生生态系统的不利影响。然而，对进水毒性及其城市层面社会经济驱动因素的分析不足，限制了有效废水管理和处理策略的制定。本研究假设，城市层面的社会经济条件通过特定分子介质影响废水整体毒性，并利用中国 100 座污水处理厂的大规模数据验证了这一假设。结果表明，国内生产总值（GDP）更高、人口密度更大、工业活动更密集的城市，其产生的进水毒性显著更高（p<0.05，广义加性模型）。从机制上看，这种升高的毒性由独特的分子特征介导：基于超高分辨率质谱分析，CHO 类特异性有毒前体物（R²=0.84）—— 尤其是不饱和烃类、稠环烃类和氨基糖类化合物 —— 被确定为该毒性的主要分子贡献者。综上，这些发现揭示了一条连接社会经济发展与废水整体毒性的分子中介路径，强调了精准毒性控制策略的必要性，此类策略应优先关注经济发达城市，且污水处理厂需靶向去除特定 CHO 类有毒前体物。全球人口快速增长和经济活动加剧，加之卫生设施不足与管理不善，导致大量有毒废水进入水生生态系统，这已成为环境可持续发展的紧迫挑战。废水中的溶解性有机物（DOM）包含碳水化合物、多糖、氨基酸、肽、蛋白质、脂质、腐殖质和人为有机污染物等高度复杂的有机化合物混合物，被广泛认为是水生毒性的主要贡献者。然而，当前废水监测实践主要依赖总量指标，这些指标仅能量化 DOM 的总有机含量，却无法揭示其具体分子组成，限制了毒性驱动成分的识别。实际上，DOM 的毒性和生态行为主要由其分子组成而非总浓度决定。近年来，超高分辨率质谱（UHRMS）技术 —— 尤其是傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）的进步，实现了对废水来源 DOM 前所未有的分子水平表征，为识别废水整体毒性的分子驱动因子开辟了新可能。
尽管已有多项研究关注废水整体毒性，但迄今为止，大多数研究集中在特定区域或基于少量污水处理厂。中国污水处理厂的常规水质监测通常包括化学需氧量（COD）和营养盐浓度等传统指标，但未涵盖全面的毒性信息。因此，关于全国废水整体毒性状况（尤其是生物毒性及其驱动因素）的统计数据仍不明确且研究不足。此外，中国地域辽阔（超过 960 万平方公里），区域差异显著，废水组成和毒性可能存在巨大变异。因此，有必要开展全面采样，以捕捉多个城市的废水毒性特征范围，并揭示局部研究中可能被掩盖的规律。
新兴证据表明，社会经济因素可显著影响城市废水中污染物的组成和浓度。例如，人口规模更大或工业活动更密集的城市，可能向废水中排放更多种类和更高负荷的污染物。这些人为差异不可避免地改变 DOM 的分子特征，进而调节废水整体毒性。尽管这种社会经济与废水的关联在概念上直观易懂，但核心未解决的问题是：特定社会经济驱动因素是否以及如何通过可识别的分子介质影响废水整体毒性。填补这一知识缺口，需要从基于相关性的分析转向明确的机制框架，即通过分子水平路径将社会经济条件与毒性联系起来。然而，社会经济因素在分子水平上影响废水整体毒性的具体路径仍不明确，尤其是在缺乏系统性调查的全国尺度上。这种认知不足限制了旨在降低污染风险、促进可持续城市水资源管理的有效、源头导向型废水管理策略的制定。
本研究描述了一项针对中国 100 座污水处理厂进水样本的大规模调查，旨在系统揭示废水整体毒性、其分子组成与城市层面社会经济因素之间的复杂关系。具体而言，分析重点包括识别与毒性相关的分子特征，评估城市层面社会经济因素在塑造废水整体毒性中的作用，以及探究社会经济因素 - 毒性关系的潜在分子中介作用，为理解城市化驱动的废水分子组成变化如何影响其毒性提供机制性见解。该研究为废水整体毒性的分子和社会经济驱动因素提供了全面视角，从而为全国尺度制定更具针对性和有效性的废水毒性控制策略提供参考。
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