基于光谱色谱分析热解温度对沼渣生物炭DOM组成特性的影响

为探究沼渣基生物炭溶解性有机质（DOM）的组成特性,以厌氧发酵沼渣为原料,在300、400、500、600和700℃热解温度下制备了生物炭,利用紫外-可见光谱、三维荧光光谱以及反相高效液相色谱等手段,研究了生物炭中DOM的组成特性.结果表明:热解温度影响生物炭DOM的组成,随着热解温度的升高,生物炭DOM中溶解性有机碳含量出现大幅降低,由300℃时的33.2 mg/g降至700℃时的0.7 mg/g.生物炭DOM的芳香性和分子量呈先增后减的变化趋势,400℃时其芳香性和分子量最大;在300~500℃热解范围内,生物炭DOM主要与类腐殖质有关,在600~700℃热解温度范围内,生物炭DOM主要是类色氨酸物质;液相色谱分析显示,在254 nm波长处洗脱出4种芳香物质,280 nm波长处洗脱出5种醌基物质,其中4种醌基结构物质赋存在芳香结构中.研究显示,沼渣生物炭DOM的组成与热解温度密切相关,不同的热解温度会影响DOM的芳香性、分子特性、腐殖化程度、亲水性及极性等特征,光谱和色谱分析法可有效表征DOM的不同结构性质.      

湿地植物生物炭衍生DOM与氯霉素的络合机制

了解生物炭溶解性有机质（BDOM）与污染物的络合机制对生物炭的应用具有重要意义.选取天然湿地植物灰化苔草为生物炭原料,利用荧光猝灭法及多种光谱分析技术和方法,分析了植物不同部位、不同热解温度下BDOM与氯霉素（CAP）的络合机制,以期为生物炭的生态修复提供理论支持.紫外-可见吸收光谱分析结果表明,BDOM与CAP的荧光猝灭属于静态猝灭,300 ℃制备的BDOM与CAP络合体系的芳香性化合物含量和分子量比500 ℃更大. 同步荧光光谱分析结果发现类络氨酸和类色氨酸物质与CAP的络合能力更强.二维相关图谱分析结果表明植物根与叶的BDOM分别以类蛋白和类腐殖物质对CAP的猝灭更强,其中苔草根BDOM与CAP的猝灭优先发生于类蛋白物质中,但苔草叶BDOM以类腐殖物质为先.此外,通过三维荧光光谱结合平行因子分析法共解析出1个类蛋白荧光组分和5个类腐殖质荧光组分.总体来说,就单一组分而言,BDOM类蛋白组分与CAP的络合强度高于类腐殖质组分.     

典型可溶有机质与磺胺二甲嘧啶的络合作用研究

以藻源有机质(AOM)和腐殖酸(HA)作为典型生物大分子可溶有机质(DOM)和腐殖化DOM,采用荧光猝灭滴定和光谱分析考察磺胺二甲嘧啶(SMZ)与DOM的络合作用.三维荧光光谱结合平行因子分析显示AOM荧光组分主要由类酪氨酸和类色氨酸物质组成,而类富里酸和类腐殖酸物质是HA荧光组分的主要构成.4种荧光组分可与SMZ发生不同程度的静态猝灭,且猝灭过程中DOM分子构象改变.同步荧光光谱结合二维相关图谱进一步发现类酪氨酸优先于类色氨酸组分与SMZ发生络合作用.Ryan-Weber非线性模拟拟合表明AOM中各荧光组分与SMZ的络合稳定常数(logK)大小为:类富里酸(3.33)类酪氨酸(3.12)类色氨酸(2.15)类腐殖酸(1.57);而HA中大小为:类富里酸(3.06)类腐殖酸(2.02).总体上生物大分子DOM对SMZ的亲和力高于腐殖化DOM.DOM与SMZ的相互作用可改变水环境中抗生素的形态和归趋,影响其生物有效性和生态毒性.     

不同生态混凝土坡岸中溶解性有机质与镉的相互作用机理研究

为研究生态混凝土坡岸中DOM(dissolved organic matter,溶解性有机质)与重金属离子的相互作用,通过FQT(fluorescence quenching titration,荧光淬灭滴定)试验配合3D-EEMs(three-dimensional fluorescence spectroscopy,三维荧光光谱)、PARAFAC(parallel factor,平行因子分析)和2D-COS(two-dimensional correlation spectroscopy,二维相关光谱)探究了AEC(applied eco-concrete,应用型生态混凝土)和IEC(improved eco-concrete,改良型生态混凝土)坡岸中DOM与Cd2+的相互作用机理.结果表明:①3D-EEMs结果显示,AEC_ow(AEC坡岸出水)类蛋白组分荧光强度降低,水体腐殖化程度升高,而IEC_ow(IEC坡岸出水) DOM各组分荧光强度均降低;Cd2+能与DOM中所有组分发生络合,且随c(Cd2+)增加,各组分的荧光强度最终趋于稳定.②PARAFAC将所有样品中DOM分离出类蛋白、类富里酸和类腐殖质3个独立组分,其中类富里酸组分随c(Cd2+)增加表现稳定的荧光淬灭效果.③通过Ryan and Weber模型计算Cd2+与DOM中各组分的络合常数(lg K)发现,所有样品中Cd2+与DOM中类富里酸组分的lg K值均大于类蛋白组分.进一步发现,不同坡岸出水lg K值大小依次为RW(原水) > AEC_ow > IEC_ow;④2D-COS分析得出,DOM中类蛋白组分对Cd2+的敏感度最大.RW中Cd2+与DOM位点的络合顺序为340 nm→273 nm→282 nm,AEC_ow中络合顺序为410 nm→330 nm.研究显示:Cd2+率先与DOM中类富里酸、腐殖质类物质络合,且络合能力强,类蛋白物质最容易受Cd2+的干扰;AEC_ow增加了下游水生态系统中Cd2+的迁移风险和生物有效性,相反IEC_ow则降低了Cd2+的迁移风险,两种坡岸均能降低DOM组分与Cd2+的络合能力,其中IEC坡岸最优.      

原料和热解温度对生物炭中可溶性有机质的影响

以水稻秸秆和杉木凋落物为原料,选择不同热解温度（350、500和650℃）制备生物炭,研究原料与热解温度对生物炭中可溶性有机质（dissolved organic matter,DOM）含量和光谱特征的影响.结果表明,随着热解温度的升高,两类生物炭pH值分别从8.10和6.56上升至10.53和8.23;热解温度对生物炭全碳（TC）含量的影响并不明显,但原料及其与温度交互作用的影响显著（P<0.05）.两类生物炭中可溶性有机碳（dissolved organic carbon,DOC）含量呈先降低后升高的趋势,相同热解温度下水稻生物炭的显著高于杉木生物炭的（P<0.05）.原料对DOM芳香化指数（SUVA₂₅₄值）无显著影响,但温度及其与原料交互作用的影响显著（P<0.05）,在500℃时该值最大,芳香化程度最高.三维荧光光谱表明,DOM组分以类富里酸和类腐殖酸为主,但这两种物质对热解温度的响应不同.傅里叶红外光谱分析发现,两类生物炭DOM在5个区域的相似位置存在吸收峰,其中,脂肪族C-H的伸缩振动随着热解温度的升高逐渐减弱.因此,高温（500℃和650℃）与低温（350℃）制备的生物炭相比,DOC含量降低,但其芳香化和腐殖化程度升高,稳定性增强.     

控氧热解过程中污染稻草生物炭的组分特性及其重金属累积特征

热解是实现重金属污染生物质无害化资源化的重要手段之一.以重金属污染稻草为原料,研究了控氧热解生物炭的组分特性及其重金属的累积特征.结果表明,低氧热解可有效利用污染稻草制备生物炭,提高重金属在生物炭中的稳定性.氮气氛条件下,稻草生物炭产率为29.4%～34.9%;可溶性有机质(DOM)以类腐殖酸物质为主,其芳香化指数(SUVA₂₅₄)随热解温度升高呈先升后降趋势;生物炭中Ca主要以CaCO₃形式存在.与氮气氛相比,10%和20%(体积分数,下同)氧气氛条件下生物炭(热解残渣)的产率分别降低5.6%～13.5%和14.9%～15.7%,但pH值提高0.5个单位以上;有氧气氛加速了热解过程中木质素组分的降解,生物炭中DOM的SUVA₂₅₄值随热解温度升高逐渐降低.随热解气氛中氧体积分数提高,DOM中类腐殖酸物质向类富里酸物质转化;生物炭中Ca以CaO形式存在,这可能是导致生物炭pH值升高的原因之一.与氮气氛相比,10%氧气氛和400℃条件下,生物炭中Cu、 Cd、 Pb、 Ni和As的可交换形态占比降低了5.2%、 3.7%、...     

秸秆生物质炭DOM光谱特征及其与Cu2+的相互作用

通过荧光猝灭滴定法探究玉米秸秆炭（MSB）、水稻秸秆炭（RSB）和花生秸秆炭（PSB）中DOM的光谱特征及其与Cu²⁺的络合机理.结果表明：三种生物质炭的DOM均具有较高的亲水性和较低的芳香性,其中RSB-DOM的芳香性相对较强、分子量较大,但DOM含量低,PSB-DOM含量最高,芳香结构中含氧官能团较多.MSB和RSB-DOM中均含类富里酸组分C1和类腐殖酸组分C3、C4,RSB-DOM中还有类色氨酸组分C5,PSB-DOM则由两种类富里酸组分C1、C2和较长波长类腐殖酸组分C4组成,3种DOM均以类富里酸组分为主,占比达54.93%~86.29%.Cu²⁺与类腐殖酸组分的稳定常数（logK_M）高于类富里酸组分,且类腐殖酸组分C4的络合能力（f）最强,类腐殖酸组分的logK_M和f值总体上表现为：PSB-DOM> MSB-DOM>RSB-DOM.二维相关光谱分析发现,类富里酸组分对Cu²⁺最敏感,而Cu²⁺优先与类腐殖酸组分结合.研究结果有助于进一步揭示生物质炭的DOM对Cu²⁺环境行为的影响机制.     

微生物降解影响下湖泊草源DOM与重金属的相互作用

通过微生物降解实验以及荧光滴定法研究草源溶解性有机质（DOM）光谱特性的不同以及铜（Cu）与草源DOM在微生物降解影响下的相互作用.三维荧光光谱结合PARAFAC分析显示,草源DOM含有3个荧光组分,新鲜的草源DOM以类蛋白质组分C2为主,微生物降解之后类腐殖质组分C1和C3成为草源DOM中的主要物质.二维相关光谱（2D-COS）,表明类蛋白物质在微生物降解过程中比类腐殖物质有着更高的敏感度和更快降解速率.并且随着Cu的增加,草源DOM中所有组分的荧光强度在微生物降解前后均发生明显猝灭.草源DOM原始样品中类腐殖质组分的络合常数大于类蛋白质组分,说明相比于类蛋白质组分,原始草源DOM中的类腐殖质组分有着更高的金属结合能力.而类蛋白质组分的络合常数在微生物降解之后的草源DOM中却高于类腐殖质组分.微生物降解对草源DOM的光谱特性以及金属结合能力有着显著影响,并对湖泊中重金属的生物有效性以及生态风险有着重要的意义.     

不同原料生物质炭DOM组分成分特性

不同原料的生物质炭DOM含量和组分存在差异,选取水稻秸秆（RS）、小麦秸秆（WS）、大豆秸秆（SS）、油菜秸秆（YS）、花生壳（PH）、松木屑（PW）和竹粉（BS）7种生物质原料在450 ℃下制备的生物质炭,采用紫外-可见光光谱（UV-vis）、荧光光谱（EEM）结合平行因子分析（PARAFAC）技术对生物质炭中DOM的光谱特征和荧光组分进行表征.结果表明：木本类生物质炭的DOM含量较秸秆类生物质炭低,分子量较高.从生物质炭DOM中鉴定分离可见区类富里酸组分（C1）、较短波长类腐殖酸组分（C2）、较长波长类腐殖酸组分（C3）和类蛋白质组分（C4）等4种组分.不同原料生物质炭DOM各组分的最大荧光强度（F_max）值表现为C1 ＞ C2 ＞ C3 、C4,秸秆类炭DOM各组分的F_max值显著高于木本类.生物质炭DOM中以C1组分占主导地位,占比达48.87% ~ 79.97%.C2、C3组分在YSB、SSB-DOM中占比最高,分别达32.71%和23.25% ,仅在YSB和PHB-DOM中发现少量C4组分.木本类原料的有机和无机矿物含量远低于秸秆类,原料中纤维素含量与生物质炭DOM总量及其C3组分呈显著的正相关关系, Ca含量与生物质炭的DOM含量及其F_max值和C3组分呈显著正相关,说明不同生物质原料的组成对生物质炭DOM组成特性具有显著的影响,研究结果为全面评估不同原料生物质炭DOM的环境效应提供重要的科学理论依据.     

微生物降解影响下湖泊草源DOM与重金属的相互作用

通过微生物降解实验以及荧光滴定法研究草源溶解性有机质（DOM）光谱特性的不同以及铜（Cu）与草源DOM在微生物降解影响下的相互作用.三维荧光光谱结合PARAFAC分析显示,草源DOM含有3个荧光组分,新鲜的草源DOM以类蛋白质组分C2为主,微生物降解之后类腐殖质组分C1和C3成为草源DOM中的主要物质.二维相关光谱（2D-COS）,表明类蛋白物质在微生物降解过程中比类腐殖物质有着更高的敏感度和更快降解速率.并且随着Cu的增加,草源DOM中所有组分的荧光强度在微生物降解前后均发生明显猝灭.草源DOM原始样品中类腐殖质组分的络合常数大于类蛋白质组分,说明相比于类蛋白质组分,原始草源DOM中的类腐殖质组分有着更高的金属结合能力.而类蛋白质组分的络合常数在微生物降解之后的草源DOM中却高于类腐殖质组分.微生物降解对草源DOM的光谱特性以及金属结合能力有着显著影响,并对湖泊中重金属的生物有效性以及生态风险有着重要的意义.