臭氧氧化对土壤有机质分子特征的转化机制及其对污染物吸附与土壤生态功能的影响研究

《Environmental Technology & Innovation》：Effects of Ozonation on the Molecular Signatures of Soil Organic Matter: Transformations and Mechanisms

本研究针对臭氧氧化修复有机污染土壤过程中土壤有机质（SOM）分子水平变化机制不清的问题，通过多技术联用（SEC-DAD-FLD-OCD/FT-ICR-MS/Py-GC-MS）揭示了臭氧促使大分子组分降解、芳香性降低、生成低分子量组分等分子特征转化规律，证实臭氧处理会降低土壤对PAHs的吸附能力并对种子萌发产生抑制作用，为评估臭氧修复技术的生态环境风险提供了分子层面依据。

　　

随着工业化进程加速，土壤有机污染问题日益凸显，多环芳烃(PAHs)、石油烃等污染物通过工业排放、能源利用等途径进入土壤环境，严重威胁生态系统健康和农产品安全。臭氧氧化技术作为一种高效的化学氧化修复手段，因其强氧化性（E⁰ = 2.07 V）、高扩散性和环境友好性，被广泛应用于有机污染土壤的治理。然而，臭氧在降解目标污染物的同时，也会无差别地攻击土壤有机质（Soil Organic Matter, SOM）——这一土壤中最活跃的有机组分，不仅影响土壤肥力、结构稳定性和微生物活动，更通过改变其分子特性进而影响污染物在土壤中的吸附-解吸行为和环境归趋。尽管前人研究已观察到臭氧处理后SOM含量下降、亲水性增强等现象，但其在分子水平上的转化路径、关键官能团的变化规律以及对污染物滞留能力和土壤生态功能的深层影响仍不明确。

为系统揭示臭氧氧化对SOM分子特征的改造机制及其环境效应，由Han Gao、Le Yu、Shang Gao等研究人员组成团队，以山东某化工污染场地的二甲苯污染土壤为研究对象，开展了为期16小时的臭氧处理实验，并综合运用尺寸排阻色谱-二极管阵列检测-荧光检测-有机碳检测联用技术（SEC-DAD-FLD-OCD）、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）及热裂解气相色谱质谱（Py-GC-MS）等先进分子表征手段，从分子量分布、元素组成、结构特征等多维度解析SOM的转化规律。同时，通过批量吸附实验和种子发芽实验，评估了臭氧处理对多环芳烃（PAHs）吸附行为和土壤生态毒理的影响。

在技术方法层面，研究首先对污染土壤进行臭氧 slurry 体系处理（臭氧浓度50 mg/L，曝气流量500 mL/min），随后提取水溶性SOM组分；通过SEC-DAD-FLD-OCD分析分子量分布与光学特性；利用FT-ICR-MS结合固相萃取（SPE）前处理获得高分辨率分子组成信息；采用Py-GC-MS识别热解产物中的标志性分子；最后通过Freundlich模型拟合PAHs吸附等温线，并以水稻种子发芽实验评价生态毒性。

研究结果揭示了一系列重要发现：

3.1. 臭氧氧化对污染物及土壤性质的影响

臭氧处理16小时后，土壤中m-二甲苯和p-二甲苯含量分别从420±59 mg/kg和544±106 mg/kg降至103±21 mg/kg和180±32 mg/kg，证实了臭氧对有机污染物的高效去除能力。土壤有机质含量从10.4±1.7 g/kg显著下降至6.99±0.8 g/kg，pH值从7.7降至6.9，阳离子交换量（CEC）也从10.3 cmol_c/kg降低至8.0 cmol_c/kg。此外，有效磷、碱解氮及Cu、Zn、Al、Fe、Mn等金属元素含量均出现上升，可能与SOM损失导致的浓度效应及臭氧的元素活化作用有关。

3.2. SEC-DAD-FLD-OCD分析

水溶性SOM可划分为低分子量化合物（LMWC）、腐殖质构建块（BB）、富里酸类（FA）、胡敏酸类（HA）和生物聚合物（BP）五个组分。臭氧处理后，高分子量的BP和HA组分大幅减少（HA从62.0%降至18.3%），而低分子量的BB和LMWC组分显著增加（BB从8.9%升至50.6%），表明臭氧促使SOM由大分子向小分子、由复杂结构向简单组分发生转化。

3.3. FT-ICR-MS分析

臭氧处理后，SOM分子总数从9542个下降至7646个，表明部分SOM被矿化。分子水平上，CHO和CHON类化合物仍占主导，但CHONS类化合物完全被去除，CHON和CHOS类比例也有所下降。分子不饱和度和芳香性显著降低，H/C_ia从1.21升至1.39，O/C_ia从0.42增至0.43。木质素类（Lig）组分始终占比最高（原样68.13%，臭氧处理后31.91%），而脂肪/蛋白类（Alp）、碳水化合物类（Car）和脂类（Lip）组分在臭氧处理后比例上升。Kendrick质量缺陷（KMD）分析进一步表明，臭氧处理后分子中引入更多O、–H和–CH₂，导致饱和度和氧化度提高。

3.4. Py-GC-MS分析与分子标志物识别

热解产物中，多环芳烃（PAHs）、苯类（Ben）和酚类（Phen）组分比例下降，表明臭氧优先氧化芳香结构。通过偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和火山图筛选出4个关键分子标志物：4-乙烯基酚和(2-甲基-1-亚甲基丁基)苯（源自新鲜木质素，原样中丰富）在臭氧处理后减少；2-苯基环己酮和联苯（源自缩合有机碳，如黑碳）在臭氧处理后保留甚至增加。这说明臭氧选择性降解了源自植物新鲜组织的活性组分，而保留了难降解的缩合态有机碳。

3.5. 臭氧降低土壤对PAHs的吸附亲和力

吸附实验表明，Nap、Phen、Pyr在原始土壤中的Freundlich亲和系数（K_F）分别为45.95、147.99和225.28，呈现随苯环数增加而升高的趋势；臭氧处理后，三者K_F值均下降（分别为37.74、104.65、124.21）。这种吸附能力的减弱主要归因于SOM含量的减少以及其分子结构中芳香性和大分子组分的损失，而这些正是疏水性有机污染物（HOCs）的主要吸附位点。

3.6. 对种子萌发的负面影响

种子发芽实验显示，原始水溶性SOM培养下的种子干重、根长、发芽率（93%）和发芽指数（389%）均最高，臭氧处理后SOM组的各项指标均有所下降（发芽率84%，发芽指数306%），表明臭氧处理不仅降低了SOM的促生能力，还可能因生成植物毒性物质或活化重金属元素而产生负面生态效应。

综上所述，本研究从分子水平揭示了臭氧氧化过程中SOM的转化机制：臭氧攻击导致大分子、芳香性组分降解，生成更多含氧、饱和的低分子量组分，CHONS类化合物完全去除，木质素类组分虽有所减少但仍占主导。分子标志物分析证实臭氧优先降解活性有机质，而保留惰性缩合碳。这些分子改变进而削弱了土壤对PAHs的吸附能力，并对种子萌发产生抑制效应。该研究不仅深化了对臭氧修复技术背后土壤有机质响应机制的理解，也为全面评估污染土壤修复后的生态风险提供了重要科学依据。研究者建议，在今后的环境风险评价和污染物迁移模型构建中，应充分考虑臭氧修复后土壤吸附性能的变化，并在必要时开展生态效应评估。