生物炭源溶解黑碳的光降解分子演化机制及其环境行为研究

推荐：本研究针对溶解黑碳（DBC）在水生环境中的光化学行为机制不明问题，通过高分辨质谱（Orbitrap MS）结合二维相关光谱（2D-COS）和分子网络分析，揭示了DBC组分的光降解动态演化规律。发现木质素类和稠环芳烃分子为DBC主要组分，其功能基团响应顺序为酚羟基>醇/醚/碳水化合物C-O>烯烃C-H/羧酸-COO>蛋白质酰胺C=O，且分子从氧化态向还原态转化。成果为评估DBC生态风险提供了分子级理论依据。

　　

在当今全球碳循环研究中，黑碳（Black Carbon, BC）作为生物质不完全燃烧的产物，每年约有0.05–0.27 Gt C通过大气沉降或地表径流进入水土环境。其中溶解黑碳（Dissolved Black Carbon, DBC）占水体溶解有机质（DOM）的10%，其独特的芳香结构和光反应活性可能引发污染物协同毒性等新兴生态风险。然而，传统研究对DBC分子级光降解机制的认识仍存在空白：一方面，高温热解形成的DBC分子异质性高，现有光谱技术难以解析其动态转化规律；另一方面，光降解产物可能通过产生活性氧（ROS）影响污染物迁移，但分子组分响应序列和转化网络尚未阐明。

中国环境科学研究院的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表论文，首次整合超高分辨质谱（Orbitrap MS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和激发发射矩阵光谱（EEM），结合二维相关分析（2D-COS）与分子网络算法，系统揭示了生物炭源DBC的光降解分子演化机制。研究以500℃热解稻秆生物炭制备DBC，通过模拟太阳辐射实验（0-48 h），采用平行因子分析（PARAFAC）解析荧光组分动态，利用化学转化网络追踪分子演变路径。

主要技术方法
研究通过管式炉氮气环境下热解稻秆制备DBC，采用UV-Vis、EEM和FTIR监测光降解过程光谱特征，Orbitrap MS获取分子式信息（m/z 150-800）。运用PARAFAC分解荧光组分，2D-COS解析功能基团响应序列，分子网络构建化学转化路径。

研究结果

Chromophore and Fluorophore Characteristics of DBC
UV-Vis显示随辐照时间延长，DBC共轭大分子发色团降解（E₃₀₀/E₄₀₀先升后降）。EEM-PARAFAC识别出类富里酸荧光组分为光不稳定组分，其降解动力学符合一级反应模型（k=0.040 h^-1）。

Functional Group Dynamics via 2D-COS
FTIR结合2D-COS揭示功能基团响应序列：酚羟基O-H（最先响应）>醇/醚/碳水化合物C-O>烯烃C-H/羧酸-COO>蛋白质酰胺C=O。稠环芳烃C=C在后期出现，表明芳香核逐步氧化开裂。

Molecular Transformation Networks
Orbitrap MS数据显示，DBC分子从高不饱和度（DBE>15）向饱和态演变，O/C比从0.35降至0.18。分子网络分析发现木质素类（O₄、O₅类）和稠环芳烃（HC>50%）通过脱羧、加氢等路径转化为脂肪族分子。

Environmental Implication
研究提出DBC光降解的"两阶段机制"：初期光不稳定组分（类富里酸、木质素）快速降解产生活性中间体，后期饱和分子通过键断裂参与光氧化。该机制解释了DBC半衰期（<800年）短于表观年龄（>15,000年）的矛盾，为评估其碳汇损失和污染物协同效应提供理论支撑。

结论与意义
该研究首次在分子水平构建了DBC光降解的动态演化框架，证实光化学过程是调控DBC环境归趋的关键因素。发现DBC组分的光稳定性差异直接影响其生态风险：光不稳定组分释放ROS可能加剧共污染物毒性，而光稳定组分的持久性则影响碳封存效率。成果为发展DBC生态风险预警模型和碳循环精准调控策略提供了科学依据。