由Pyrochar衍生的DOM在光反应性方面优于由Hydrochar衍生的DOM：来自活性物种和有机光解的见解

《Journal of Hazardous Materials》：Pyrochar-Derived DOM Outshines Hydrochar-Derived DOM in Photoreactivity: Insights from Reactive Species and Organic Photolysis

　　光降解|生物炭|溶解有机物|四环素|光化学反应|活性物种|制备工艺|分子结构|环境行为|环境修复

　　本研究聚焦于两种不同来源的生物炭衍生溶解有机质（BDOM）——热解生物炭衍生溶解有机质（DBC）和水热炭化生物炭衍生溶解有机质（DHC）——在光化学行为上的差异。这一差异不仅影响了它们在光化学反应中的表现，还对水体中有机污染物的降解过程产生了深远影响。通过系统地分析DBC与DHC的光物理特性、光反应活性以及对四环素（TC）光降解的促进作用，研究揭示了不同生物炭类型在环境中的潜在作用机制。

生物炭作为农业、环境治理和碳封存的重要材料，其在实际应用中释放的溶解有机质正逐渐成为水体中溶解有机质的重要组成部分。然而，目前关于DBC与DHC在光化学行为上的对比研究仍较为有限，尤其是在它们如何生成活性物种以及如何影响污染物的光降解过程方面。这种知识的缺失，限制了我们对不同生物炭在实际环境应用中可能产生的光化学效应的准确评估。因此，深入探讨DBC与DHC的光化学特性，不仅有助于理解生物炭在环境中的作用机制，也为优化其在水体污染治理中的应用提供了科学依据。

DBC与DHC的光物理特性表现出显著差异。DBC的E2/E3比值较低，而SUVA254和SUVA280值较高，这表明DBC中富含芳香结构且具有较大的分子簇。这些特性在分子层面得到了进一步支持，即DBC中含有大量分子量范围狭窄的缩合芳香化合物，这些化合物在光照下能够显著促进三线态DOM（3DOM*）和单线态氧（1O2）的生成。相比之下，DHC中含有更多木质素类化合物，如酚类物质，这些物质在一定程度上抑制了活性物种的生成，从而对污染物的光降解产生阻碍作用。

研究发现，DBC在促进TC光降解方面表现出更强的活性。DBC生成的高能3DOM*和1O2能够驱动TC的还原脱甲基化、脱氨基化以及环裂解等反应路径，从而显著加速其降解过程。然而，DHC中的酚类物质则通过淬灭激发态TC和活性物种，间接抑制了TC的光降解。此外，DHC的结构特征可能使其在光降解过程中表现出不同的行为，例如作为光学滤光器，减少溶液中光的可用性，从而限制了污染物的直接或间接光降解。

研究还指出，DBC的光降解速率受水质因素的影响，但在降解程度上不受水质变化的显著影响。这意味着，在某些条件下，DBC的光降解能力可以得到增强，但在其他条件下，其降解效果可能保持相对稳定。这种特性对于生物炭在实际环境应用中的选择和优化具有重要意义。例如，在水质较为复杂或污染物浓度较高的环境中，DBC可能更有效地促进TC的降解，而DHC则可能因结构特性而表现出不同的降解效率。

研究结果表明，DBC与DHC在分子结构和光化学行为上存在显著差异。DBC的芳香性较强，含有丰富的缩合芳香化合物和醌类物质，这些结构特征使其在光照下更容易生成活性物种，从而促进污染物的光降解。而DHC的木质素类结构则使其在光化学反应中表现出一定的抑制作用，这可能与其较高的分子量和较低的芳香性有关。此外，DHC中的酚类物质不仅可能作为光反应的淬灭剂，还可能通过其结构特性影响光的传播和利用效率，从而对污染物的光降解产生复杂的调控作用。

在实际应用中，生物炭的制备过程对BDOM的化学组成和光化学行为具有决定性影响。高温、低氧条件下的热解过程（产生DBC）与中温水热炭化过程（产生DHC）分别模拟了不同的自然环境过程。热解过程模拟了自然火灾的碳化过程，形成稳定的芳香碳基质；而水热炭化过程则模拟了长期的木质素转化过程，形成富含木质素和酚类物质的结构。这些不同的制备路径导致了DBC与DHC在化学组成、分子结构和光化学行为上的差异，进而影响了它们在水体中的光降解能力。

随着生物炭在土壤改良、碳封存和污染治理等领域的广泛应用，其释放的BDOM对水体中有机污染物的光降解过程产生了越来越重要的影响。因此，深入研究DBC与DHC的光化学特性，不仅有助于理解生物炭在环境中的作用机制，也为优化其在污染治理中的应用提供了科学依据。例如，在选择生物炭用于水体污染治理时，需要综合考虑其BDOM的光化学行为，以确保其能够有效促进污染物的降解，同时避免可能的负面效应。

此外，研究还强调了光化学反应在环境中的重要性。DOM在吸收太阳光后，可以被激发形成三线态DOM（3DOM*），随后通过能量或电子转移途径生成一系列高反应活性的次级物种，如单线态氧（1O2）、羟基自由基（•OH）和超氧阴离子（O2•?）。这些活性物种在促进有机污染物的间接光降解过程中发挥了关键作用。然而，由于DOM的化学组成和分子结构存在高度的变异性，其光敏化能力可能在不同条件下发生显著变化。因此，了解不同来源DOM的光化学行为，对于准确预测和评估有机污染物在自然水体中的环境命运具有重要意义。

本研究通过系统分析DBC与DHC的光化学特性，揭示了它们在促进污染物光降解方面的不同作用机制。DBC由于其高芳香性和缩合芳香结构，能够更有效地生成活性物种，从而加速TC的光降解过程。而DHC中的木质素类结构则可能抑制活性物种的生成，甚至通过光学滤光作用减少光的可用性，从而对TC的光降解产生一定的阻碍。这些发现不仅为理解生物炭在环境中的作用提供了新的视角，也为未来生物炭的开发和应用提供了重要的理论支持。

研究还指出，DBC与DHC的光化学行为可能受到多种因素的影响，包括水质条件、光照强度以及污染物的种类和浓度。例如，在不同水质条件下，DBC的光降解速率可能会发生变化，这表明在实际应用中需要考虑水质的复杂性。同时，不同类型的污染物可能对DBC和DHC的光化学行为产生不同的响应，因此在选择生物炭用于特定污染物的治理时，需要进行更全面的评估。

综上所述，本研究通过对比分析DBC与DHC的光化学特性，揭示了它们在促进污染物光降解方面的不同作用机制。DBC因其高芳香性和缩合芳香结构，能够更有效地生成活性物种，从而加速污染物的降解；而DHC则可能因含有更多的木质素类化合物而表现出一定的抑制作用。这些发现不仅有助于理解生物炭在环境中的作用，也为优化其在水体污染治理中的应用提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同生物炭类型在复杂水体环境中的光化学行为，以及如何通过调控生物炭的制备过程来增强其在污染物降解中的效率。