溶解性黑炭影响典型有机污染物非生物转化的分子机制研究

Dissolved black carbon (DBC), as an important component of biomass-derived biochar, becomes an important source of dissolved organic matter (DOM) after released into the environment with the application of biochar. The relatively high aromaticity and mobility of DBC make it have the reactivity characteristics of both biochar and natural DOM simultaneously. Currently, investigation on the effects of DBC on the abiotic transformation of organic contaminants is still scarce and the relevant mechanisms are to be further addressed. Based on the molecular and functional characterization of DBC, here we propose to study the photochemical reactions of DBC and their relationship with the molecular and functional composition of DBC, explore the effects of DBC with different molecular components on the photochemical transformation of typical organic pollutants, and clarify the effect of environmental persistent free radicals from DBCs on the nonphotochemical transformation of the organic pollutants. In addition, the effects of environmental interfacial processes and mid- and long-term photochemical processes of DBC which suffers once released in the environment on the abiotic transformation of the organic pollutants will be investigated systematically. This research will be an important step towards the understanding of the abiotic transformation mechanisms of organic pollutants and thus provides the scientific basis for assessing the transformation and fates of organic pollutants in the environment.

溶解性黑炭（DBC）作为生物质黑炭的重要组分，伴随生物炭进入环境后，成为环境中溶解性有机质（DOM）的重要来源之一。相对较高的芳香化结构和较强的迁移能力，使得DBC兼具有生物炭和天然DOM的反应特性。目前关于DBC影响有机污染物非生物转化的研究还很有限，相关反应机制尚不清楚。本项目拟从DBC分子组成与结构、有机污染物光化学转化及非光化学转化三方面入手，研究DBC光化学反应与其分子组成的内在联系，探讨不同性质DBC对有机污染物光化学转化的影响特征，重点解析DBC分子组成、结构与其影响有机污染物光化学转化的内在联系；阐明DBC中环境持久性自由基对有机污染物非光化学转化的影响机制；厘清DBC环境界面过程及不同光化学反应阶段产物对有机污染物非生物转化的影响特征和关键控制因素。本项目研究结果将提升我们对有机污染物非生物转化反应机制的认识，为全面准确评价典型有机污染物的转化与归趋提供重要的科学依据。

生物炭溶解性组分，相对于天然溶解性有机碳，具有丰富的芳香化碳组分，可以通过光转化、络合、氧化还原等非生物过程影响土壤-水界面碳及有机污染物迁移转化，是生物炭中最具活性的组分。本项目以典型生物炭中溶解态组分（即溶解性黑炭）光化学行为为主要研究对象，系统考察了溶解态黑炭经历土-水分馏过程对其光反应活性的影响及其分子机制；探讨了溶解态黑炭光转化与分子组成、光致自由基能力的关系。探明了溶解态黑炭在经历土-水界面吸附分馏后，其光反应活性转化主要表现为光屏蔽效应、还原能力和光致自由基稳态浓度的增强，溶解态黑炭分子中木质素类进而单宁类组分相对含量的增多是光反应活性转化的内在机制；确认了溶解态黑炭的光化学反应相较天然溶解态有机碳更为剧烈，而在土-水界面吸附分馏后，溶解态黑炭的光化学反应趋于平稳，更类似于天然溶解态有机碳，腐殖化程度的升高可能是其内在机制。在此基础上，探讨了溶解性黑炭对典型有机物污染非生物迁移转化的影响。本项目研究并没有把生物炭溶解性组分的光化学反应局限于溶解性黑炭组分本身，而是侧重其进入土壤环境后对其光化学反应的影响作用。同时，项目还对水热炭溶解性组分包括水热反应液相富含类腐殖酸化合物产物分子组成与结构及其环境行为进行了探讨，并基于生命周期评价方法对典型有机固废生物质在热解-土壤应用系统中碳足迹和关键影响因素进行了分析。基于该项目研究，加深了生物炭溶解性组分在环境界面光化学行为的认识，研究工作对于认识溶解性有机碳在土-水界面分子转化与循环具有重要的参考价值，并有望推动土壤、环境领域对水热炭可溶解组分环境行为研究的重视，以及为科学评价生物炭产品在环境应用影响提供方法学参考。