溶解性黑碳在富铁环境中的释放与表征：化学性质、铁的络合机制以及生态毒性探究

——Journal of Environmental Sciences

来超超，展巨宏*，柴秋云，王昌鲁，杨晓霞，何欢**，黄斌，潘学军

作为土壤改良剂的生物炭施用于土壤后，随着灌溉、降雨和地表径流等过程会逐渐向水体环境迁移，其结构和性质也会在迁移过程中发生不同程度的改变。除此之外，生物炭表面会不断地释放大量的溶解性黑炭，进而进入周围环境参与环境污染物的迁移转化。但是进入土壤的生物炭受环境因素影响较大，其释放溶解性黑炭的机理尚不明了。一方面，溶解性黑炭的释放过程与生物炭自身组成和性质有关。另一方面，光照、土壤中的微生物以及pH值等因素对溶解性黑炭释放也会有较大影响。不同的释放过程必定会影响溶解性黑炭的结构与组成，进而影响其环境行为。探究此过程的机理对于明晰溶解性黑炭参与的自然环境中污染物迁移转化至关重要。

本章选取秸秆和玉米芯两种有机质组成不同的生物质，考察生物质种类对生物炭性质及溶解性黑炭结构和组成的影响；生物质分别在200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃四个热解条件下碳化，分析热解温度对生物炭以及溶解性黑炭的影响；分别探究微生物和光照对释放的溶解性黑炭特性的影响，明确生物/非生物等自然过程在生物炭老化过程的介导机制；考察了富铁环境中溶剂性黑碳对藻类生长的影响，主要发现点如下：

（1）生物质随着温度的升高，重量逐渐减少，尤其是200 ℃到400 ℃温度区间，生物质损失了60%以上的重量。生成的生物炭中主要存在着-OH、C-H、C=O/C=C和C-C/C-N四种官能团，其中在高温条件下单键优先断裂，C=O/C=C对高温具有一定的稳定性；生物炭经光照和微生物老化后表面更加光滑，比表面积更大。

（2）溶解性黑炭的溶出量与生物炭的碳化温度密切相关，生物炭温度越高释放的溶解性黑炭越少。除此之外，在微生物存在的条件下，溶解性黑炭的释放浓度降低，而光照作用则可以促进溶解性黑炭的释放。说明生物炭进入环境介质后溶解性黑炭的释放受环境因素的影响很大。

（3）溶解性黑炭的光吸收特性随温度的升高先增加后降低，这与其芳香性有很大关系。400 ℃的溶解性黑炭具有较强的芳香性和亲水性，并且它的这些性质受微生物和光照影响最大，说明400 ℃的溶解性黑炭是环境介质中较为活跃的有机部分。溶解性黑炭的荧光组分主要包括了芳香蛋白、类富里酸和类胡敏酸三种，随着温度的升高，类富里酸和类胡敏酸组分的荧光响应逐渐增强。在微生物和光照存在的条件下，溶解性黑炭中的类蛋白组分和类富里酸组分含量明显提升。

（4）溶解性黑炭的分子量较低，主要分布在4000 - 6000 Da的范围，微生物和光照都会降低溶解性黑炭的分子量。溶解性黑炭中羧基的浓度在49.7 mmol/gC和113.3 mmol/gC之间，而酚羟基的浓度在5.8 mmol/gC和65.2 mmol/gC之间。在微生物和光照存在的条件下，酚羟基和羧酸的含量分别得到了提升。

（5）DBC与Fe的结合能力随着温度的升高逐渐加强，秸秆DBC的KM值整体上比玉米芯高，与Fe具有较好的结合能力。DBC中的小分子量物质以及含氧的芳香结构是与Fe进行配位结合的关键组分。光照的存在通过增加DBC中含氧官能团的含量进而提升了与Fe的络合能力。

（6）DBC整体上对藻类的生长表现出促进作用，随着热解温度的升高，藻细胞密度呈现先降低后升高的趋势。DBC通过增加水体中溶解铁的含量，使得铁的生物利用性提高，进而促进了藻细胞叶绿素的合成。