《Bioresource Technology》：Molecular fractionation and transformation of dissolved black carbon on hematite facets: implications for sunlight-driven photodegradation of antibiotics in aquatic environments
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•DBC的分子组成决定了其在赤铁矿表面的界面行为。•赤铁矿的不同晶面会影响DBC的分子分馏及转化程度。•DBC300更易发生分子转化，而DBC500则以分子分馏为主。•{001}、{100}和{012}晶面的赤铁矿具有不同的界面作用。•吸附在赤铁矿上的高分子量DBC会抑制TCH的
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DBC的分子组成决定了其在赤铁矿表面的界面行为。
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赤铁矿的不同晶面会影响DBC的分子分馏及转化程度。
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DBC300更易发生分子转化，而DBC500则以分子分馏为主。
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{001}、{100}和{012}晶面的赤铁矿具有不同的界面作用。
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吸附在赤铁矿上的高分子量DBC会抑制TCH的光降解。
引言
生物炭是生物质热解后的固体残留物，属于黑色碳的一种，它在环境修复和碳封存中起着重要作用（Lu等人，2024）。当生物炭被施用于土壤后，会通过降雨或人工灌溉释放出水溶性成分，即溶解性黑色碳（DBC）（Zhou等人，2025）。作为溶解有机质中的热解产物，DBC连接了陆地和水体的黑色碳库，广泛存在于河流、湖泊和沿海水域中，并参与多种生物地球化学过程（Jaffé等人，2013；Zhou等人，2018）。据估算，亚马逊河的年DBC通量在1.9–2.7 Tg C之间，长江则为47.4 Gg C（Coppola等人，2019；Xu等人，2016）。从化学结构上看，DBC是一种复杂的超分子混合物，主要由含有氧官能团的小型芳香族簇构成，比如羧基和酚羟基（Zhou等人，2018）。DBC的结构和化学性质，如分子量、芳香性和官能团类型，很大程度上取决于生物炭的原料以及热解温度（He等人，2021）。例如，生物炭的热解温度会改变DBC中醌类、酚类和缩合芳香结构的含量，进而影响其氧化还原活性（Zhang等人，2023）。由于DBC分布广泛且具有反应活性，它能够与土壤-水环境中的矿物表面发生相互作用，从而影响其分子组成以及矿物表面的反应性（Zhai等人，2026）。
近期研究表明，矿物与DOM之间的相互作用涉及多种界面过程，包括吸附和分子分馏（Huang等人，2024a；Liu等人，2025）、氧化还原反应（Lin等人，2025；Trainer等人，2021；Zhang等人，2021）以及活性氧的产生（Pu等人，2025）。在土壤矿物中，氧化铁是土壤-水环境中普遍存在的具有氧化还原活性的矿物，其表面反应性主要由暴露的晶面决定（Guo等人，2026）。赤铁矿（α-Fe2O3）是最稳定的氧化铁之一，其表面通常呈现{001}、{100}和{012}晶面（Hao等人，2022；Zhou等人，2026）。赤铁矿与DOM之间的相互作用具有晶面依赖性，这是由于表面原子排列、羟基配位方式以及电荷密度存在差异所致（Huang等人，2018；Shen等人，2020；Zhao等人，2025）。例如，芳香族和高度氧化的化合物倾向于与单配位的羟基（≡FeOH）结合，而高分子量或富含羟基和胺基的化合物则因较高的正电荷密度和疏水性而更容易吸附在{001}晶面上（Lv等人，2018；Shen等人，2020；Zhao等人，2025）。与已被深入研究的腐殖酸相比，DBC的分子量更低，且含有更多含氧官能团和缩合芳香结构（Sun等人，2021；Zhou等人，2018），这意味着它与赤铁矿的相互作用很可能与腐殖质有所不同。不过，受赤铁矿影响的DBC分子分馏和转化机制目前仍缺乏研究，尤其是不同晶面带来的影响，而这些因素可能会进一步影响共存有机污染物的环境归趋。
难以降解的有机污染物，尤其是抗生素，在自然水体中的检出浓度从纳克/升到毫克/升不等，对水生生态系统构成了严重威胁（Liu等人，2018）。阳光驱动的光降解是抗生素在自然界中的主要降解途径，而赤铁矿因其较强的可见光吸收能力，可作为一种有效的光催化剂。但在自然水体中，赤铁矿通常与DBC共存，DBC会改变赤铁矿的表面化学性质和光化学行为，进而影响水中抗生素的光降解过程（Huang等人，2024b；Luo等人，2025；Zeng等人，2024）。尤其是DBC本身，既能作为光敏剂促进抗生素的间接光降解，又可通过遮光效应抑制其直接光降解（Zhou等人，2025）。以往的研究多集中在腐殖酸或模型化合物在氧化铁表面的吸附和光化学作用上（Shu等人，2025；Zhou等人，2024）。然而，具有不同分子性质的DBC如何与特定的赤铁矿晶面发生相互作用，以及这些相互作用如何影响有机污染物的光降解，目前仍有不少研究空白。填补这一知识缺口对于评估生物炭在富铁系统中的应用所带来的环境风险至关重要。
为弥补这些不足，本研究选择了全球范围内具有高生物量产量的入侵植物豚草（Ambrosia artemisiifolia L.）作为生物炭的原料，旨在将这一生态威胁转化为碳资源。研究人员合成了具有不同暴露晶面（{001}、{100}、{012}）的赤铁矿纳米晶体，以及在不同温度下热解豚草生物炭所得的两种DBC。通过分子水平表征和光化学实验，本研究探讨了DBC的组成以及赤铁矿晶面如何共同影响DBC的吸附和分子转化，进而分析这些相互作用对广谱抗生素盐酸四环素的光催化降解过程的影响。该研究通过结合分子层面的特征分析与光化学实验，为揭示矿物-有机物相互作用如何调控污染物光降解和碳封存提供了机制性见解，有助于更好地理解生物炭应用后DBC的环境行为。
章节要点
材料
本研究中所用的豚草（Ambrosia artemisiifolia L.）采集自中国重庆市巫山县大昌镇（经度109.82E，纬度31.28?N）。首先将植物材料用去离子水冲洗以去除表面杂质，然后在60 ℃的烤箱中干燥48小时，再用研磨机将其磨成细粉，最后储存在室温下的干燥箱中以备后续实验使用。
本研究所使用的化学物质的详细信息见补充材料的Text S1部分。
赤铁矿的表征
图S1a中的XRD图谱显示，HNPs、HNRs和HNCs对应的相均为菱形结构的赤铁矿（α-Fe2O3，JCPDS编号33–0664），没有其他晶体结构的峰出现（Chen等人，2025；Lv等人，2018）。图S1b中的FT-IR光谱进一步证实了赤铁矿的特征性Fe–OH振动峰（1048?cm-1）以及Fe–O振动峰（600至400?cm-1）（Guo等人，2021）。HNPs、HNRs和HNCs的比表面积分别为16.84、10.73和20.69?m2·g-1。
结论
土壤-水界面处氧化铁的表面反应性并非仅由矿物表面本身的固有属性决定，还会受到与DOM尤其是DBC相互作用的显著影响，而这些相互作用又会深刻影响碳循环和污染物的光降解过程。本研究通过探讨DBC与具有不同暴露晶面的赤铁矿纳米晶体之间的相互作用，阐明了矿物-水界面处DBC的分子分馏和转化机制及其
作者贡献说明
谢金喜：撰写——初稿、方法学、实验分析、数据整理、概念构建。张洪龙：撰写——审阅与编辑。陈明：撰写——审阅与编辑、研究指导、资金申请。吴胜军：撰写——审阅与编辑、研究指导。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42371071）以及三峡水库波动区河流-水库水动力下的地质灾害规律与防治策略研究（项目编号：5000002024CC20004）的支持。
Jinxi Xie|Honglong Zhang|Ming Chen|Shengjun Wu
