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经典 XDLVO 理论难以预测铁、铝基纳米颗粒（NPs）在富溶解有机质（DOM）环境中的稳定性。本研究聚焦 DOM 分馏对水铁矿（Fh）和无定形氢氧化铝（AAH）NPs 沉降行为的影响，发现 DOM 组分吸附差异通过非 DLVO 机制调控稳定性，突破 XDLVO 模型局限，为预测胶体迁移和碳循环提供新视角。
在自然水体和人工水生系统中，铁、铝基纳米颗粒（如常见的水铁矿 Fh 和无定形氢氧化铝 AAH NPs）凭借其巨大的比表面积和高反应活性，在调控污染物归宿与碳循环中扮演着关键角色。然而，当这些纳米颗粒置身于富含有溶解有机质（DOM）的环境时，经典的扩展 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论却难以准确预测其稳定性。DOM 作为湖泊生态系统的基础组成部分，来源复杂（包括陆源腐殖质和自生源藻类分泌物等），其分子结构、分子量及官能团的差异会显著影响与纳米颗粒的相互作用。此前研究多聚焦于 DOM 浓度或整体性质对纳米颗粒稳定性的影响，却鲜少探究 DOM 在纳米颗粒表面的分馏过程及其对 DLVO 相互作用适用性的关键影响，尤其是 DOM 化学异质性（如腐殖质类和蛋白类组分）如何超越 XDLVO 理论预测范畴调控纳米颗粒稳定性，这一科学问题亟待解答。
为破解上述难题，研究人员开展了一项针对 Fh 和 AAH NPs 在两种典型 DOM（陆源富里酸 FA 和自生源藻类 DOM）中介导的 pH 依赖性沉降行为的系统性研究。通过结合 XDLVO 理论计算相互作用能（包括范德华力VA、静电力VR、Born 相互作用能VB和路易斯酸碱相互作用VAB）与先进光谱分析技术，深入揭示 DOM 分馏对纳米颗粒稳定性的调控机制。该研究成果发表在《Environmental Pollution》，为富有机质水生系统中胶体迁移和碳循环的预测提供了新的理论支撑。
研究主要采用了以下关键技术方法：
- 纳米颗粒制备：通过化学沉淀法合成 Fh（将 0.2 M FeCl3溶液用 1M NaOH 中和至 pH 7.5±0.1）和 AAH NPs（将 0.167 M AlCl3溶液用 0.5 M NaOH 调节至 pH 6.0±0.1），经离心分离获得样品。
- 材料表征：利用 X 射线衍射（XRD）分析晶体结构，氮气吸附法测定比表面积（SSA），3D-EEM、FTIR、2D-COS 等光谱技术解析 DOM 与纳米颗粒的相互作用机制。
- 沉降行为分析：通过监测不同 pH 条件下纳米颗粒的沉降速率，结合 XDLVO 理论计算，对比实际现象与模型预测的差异。
研究结果
1. DOM 分馏与纳米颗粒吸附选择性
光谱分析表明，Fh NPs 优先吸附陆源 DOM 中的芳香族腐殖质组分，而 AAH NPs 则选择性结合自生源 DOM 中的高分子量（HMW）蛋白类物质。这种吸附差异源于纳米颗粒表面化学性质的不同：Fh 表面的铁羟基基团与腐殖质的芳香环通过 π-π 相互作用、氢键及疏水作用强烈结合；AAH 表面的铝羟基则更易与蛋白类物质的官能团形成特定配位。
2. 非 DLVO 机制主导稳定性差异
- Fh NPs 的聚集机制：腐殖质的吸附通过疏水相互作用、π-π 堆积和氢键作用，显著降低颗粒间的排斥能，导致沉降速率增加 37-58%，与 XDLVO 模型预测的稳定状态相反。
- AAH NPs 的稳定机制：蛋白类物质的吸附在颗粒表面形成空间位阻层，有效抑制颗粒聚集，沉降速率降低 42-65%，体现出 XDLVO 模型未能涵盖的 steric hindrance（空间位阻）效应。
3. XDLVO 理论的局限性
XDLVO 模型基于 DOM 整体性质计算相互作用能，无法捕捉 DOM 与纳米颗粒作用时的选择性吸附和分子重排过程。例如，Fh-DOM 体系中腐殖质的芳香组分富集和 AAH-DOM 体系中蛋白类组分的定向吸附，均属于非均相吸附过程，超出了传统模型的适用范围。
研究结论与意义
本研究首次系统阐明了 DOM 分馏在调控铁、铝基纳米颗粒稳定性中的关键作用，揭示了非 DLVO 机制（如疏水相互作用、空间位阻）通过纳米颗粒表面化学特异性驱动 DOM 组分选择性吸附，进而导致沉降行为的显著差异。研究结果表明，XDLVO 理论因忽略 DOM 化学异质性和纳米颗粒表面吸附分馏过程，难以准确预测富有机质环境中的胶体行为。
这一发现为理解富有机质水生系统中纳米颗粒介导的碳固存、污染物迁移及生态过程提供了新视角，呼吁建立整合 DOM 化学异质性与非 DLVO 相互作用的概念框架，以更精准地预测胶体传输和碳循环。此外，研究结果对湖泊富营养化治理、重金属污染修复等环境领域具有重要指导意义，有助于优化基于纳米颗粒技术的环境应用策略。
