羥基自由基(•OH)是自然界中最主要的天然氧化劑,是環(huán)境中氧化性最強的活性氧物種(Reactive oxygen species;ROS)之一。羥基自由基具有不成對電子的高度不穩(wěn)定的自由基,其氧化能力僅次于氟。
ROS是一種天然存在的具有很強反應(yīng)活性的物質(zhì),包括O2•-、H2O2、1O2和•OH等。
羥基自由基的形成方式主要是通過光化學反應(yīng),包括溶解性有機質(zhì)的光敏反應(yīng),硝酸鹽和亞硝酸鹽的光降解、光催化反應(yīng)以及光芬頓反應(yīng)等。
其中,溶解有機質(zhì)(DOM)的光敏反應(yīng)是指DOM中的發(fā)色基團能夠吸收500 nm以下的陽光,形成不穩(wěn)定的1DOM*或者3DOM*。這是水體中•OH的主要來源。
硝酸鹽和亞硝酸鹽的光解反應(yīng)則是指,硝酸鹽其在302 nm處有吸收峰,而陽光能夠激發(fā)其產(chǎn)生n→π*躍遷進而發(fā)生光化學轉(zhuǎn)化,并形成羥基自由基。而亞硝酸鹽則在220 nm處有比較容易發(fā)生躍遷的吸收峰。
光催化過程是指光催化劑吸收一定的光子后被激發(fā),產(chǎn)生自由電子和空穴,該空穴的得電子能力較強,可以氧化吸附在表面的HO-以及H2O,形成•OH。目前催化劑主要有TiO2、ZnO2、ZrO2、CdS、ZnS等金屬氧化物和金屬硫化物。
光芬頓反應(yīng)則與鐵氧化物的轉(zhuǎn)化相關(guān),F(xiàn)e2+起到催化的作用,其分解H2O2生成•OH,自身被氧化為Fe3+。另外Fe3+在光還原的過程中也會產(chǎn)生•OH。
此外,有研究發(fā)現(xiàn)暗反應(yīng)也是•OH的重要形成機制。主要是由還原態(tài)腐殖質(zhì)(HAred)氧化所導致的。其機理主要包括兩種途徑,一種是金屬誘導的類芬頓反應(yīng),即還原類物質(zhì)氧化過程中會產(chǎn)生H2O2,隨后還原態(tài)腐殖質(zhì)與Fe2+絡(luò)合反應(yīng)生成•OH。第二種途徑是有機質(zhì)引起的•OH形成,腐殖質(zhì)中原有的半醌物質(zhì)由于氧氣的出現(xiàn),被氧化為H2O2,最終形成•OH。此外,生物體和細胞過程也能形成•OH。
一般研究使用對苯二甲酸(TPA)來測定土壤或水體中的羥基自由基。在土壤溶液或者水體中加入TPA溶液,羥基自由基隨后可以與其反應(yīng)并形成2羥基苯甲酸(HTPA)。在黑暗有氧的條件下培養(yǎng)一段時間后,測定溶液中的HTPA含量,通過公式可以計算出
具體方法可以參考以下文獻:
Mopper,K.;Zhou,X.Hydroxyl radical photoproduction in the sea and its potential impact on marine processes.Science 1990,250,661−664
此外還有研究利用香豆素(Coumermycin,COU)與羥基自由基反應(yīng)并測定其羥基化產(chǎn)物7h-COU來表征羥基自由基的含量。
Journal:Envrionmental Science&Technology
Title:Active Iron Phases Regulate the Abiotic Transformation of Organic Carbon during Redox Fluctuation Cycles of Paddy Soil
活性鐵氧化物調(diào)節(jié)水稻土氧化還原波動循環(huán)中的有機碳非生物轉(zhuǎn)化
DOI:
https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04073
研究目的:鐵氧化物一般在土壤中被認為起到保護有機碳的作用,但在氧化還原波動的條件下,鐵介導的非生物轉(zhuǎn)化過程可能會引起有機碳的損失。該研究評估了水稻土氧化還原循環(huán)中鐵氧化物在驅(qū)動羥基自由基的產(chǎn)生以及有機碳轉(zhuǎn)化過程中的作用。
研究方法:該研究收集了成都,長沙和鷹潭三個地區(qū)的水稻土,然后設(shè)置了一個Batch實驗。該實驗包括厭氧培養(yǎng),微氧培養(yǎng)以及有氧培養(yǎng)三個處理,共5次循環(huán),每次循環(huán)前將土壤泥漿厭氧培養(yǎng)15天(下圖)。
研究結(jié)果:
1.未滅菌的土壤懸液中,三種土壤二氧化碳的產(chǎn)生速率沒有顯著的差異。但是,有氧條件下的二氧化碳產(chǎn)生速率比厭氧條件下高出131-138%(下圖)。隨著循環(huán)周期的增加,二氧化碳的產(chǎn)生逐漸降低,接下來主要研究第一次循環(huán)中的二氧化碳產(chǎn)生情況。通過γ-輻射殺菌后累積二氧碳產(chǎn)生降低了7.3-12.1%。表明非生物過程主導了二氧化碳的釋放。
2.羥基自由基的測定(•OH)發(fā)現(xiàn),厭氧條件下沒有•OH的產(chǎn)生(下圖a)。溶解氧是•OH形成的主要限制因素(下圖b)。與厭氧和微氧條件下相比,•OH的產(chǎn)生速率在有氧條件下有所提升。γ輻射幾乎沒有改變•OH的產(chǎn)生(下圖c),這表明•OH的產(chǎn)生主要是由氧氣介導的過程。
3.為了確定Fe(II)對•OH產(chǎn)生的貢獻,添加2,2-聯(lián)吡啶(BPY)到土壤中來監(jiān)視水合二價鐵和表面暴露的Fe(II)基團的貢獻。結(jié)果表明存在BPY的情況下,•OH的產(chǎn)生降低了88.1-82.9%。此外土壤泥漿中的Fe(II)含量與•OH的積累量呈現(xiàn)正相關(guān)。這些結(jié)果表明Fe(II)基團對•OH的產(chǎn)生起到重要作用。
該研究還用連續(xù)提取法測定了氯化鈣提取的鐵(CaCl2-Fe),0.5 M HCl所提取的鐵(0.5 M HCl-Fe),5 M HCl所提取的鐵(5 M HCl-Fe),以及氫氟酸所提取的鐵(HF-Fe)。
結(jié)果發(fā)現(xiàn),氧氣暴露后CaCl2-Fe(II)在長沙和成都的水稻土中被完全氧化,但是在鷹潭土壤中逐漸下降(下圖)。這可能是受到土壤pH的影響。鷹潭土壤較低的土壤pH可能引起更多的交換性Fe(II)被氧化。接觸氧氣也引起了0.5M HCl-Fe(II)的快速下降,長沙和成都水稻土中的0.5M HCl-Fe(II)氧化速率高于鷹潭(下圖)。接觸氧氣后,5M HCL-Fe(II)略有下降,而HF-Fe(II)則沒有顯著變化。以上結(jié)果表明,CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)可能是引起•OH產(chǎn)生的主要因素。
研究還監(jiān)測了氧化還原循環(huán)前后的Fe(II)礦物。發(fā)現(xiàn)厭氧和微氧之間Fe(II)礦物的差異并不顯著。有氧處理中,5次循環(huán)后CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)下降了54.5-81.6%,而5 M HCl-Fe(II)僅下降了11.9-31.3%。Fe(II)的降低伴隨著•OH的降低,這表明Fe(II)顯著影響著•OH的產(chǎn)生。
4.多元回歸分析也表明,•OH的產(chǎn)生與CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)顯著相關(guān),0.5 M HCl-Fe(II)的相關(guān)性更高,表明其可能起到更重要的作用。
由于0.5 M HCl-Fe(II)能夠溶解表面吸附的或復合的鐵(例如銹狀或碳酸鹽結(jié)合的鐵),在一次循環(huán)中進行了一個單獨提取實驗,在氯化鈣提取后,先后進行磷酸二氫鈉以及乙酸鈉浸提的鐵的測定。殘余的Fe(II)被認為是不可提取的部分,可以用0.5 M HCl-Fe(II)減去前面兩種形態(tài)的鐵得到。結(jié)果發(fā)現(xiàn),成都土壤中暴露于氧氣12h后有更多的磷酸二氫鈉結(jié)合的鐵(NaH2PO4-Fe(II))。長沙土壤中,氧氣的暴露引起了磷酸二氫鈉和乙酸鈉結(jié)合鐵(NaAC-Fe)的迅速下降,隨后下降速率減緩,而殘基Fe(II)則發(fā)生連續(xù)下降。以上結(jié)果表明,•OH的形成最初是由NaH2PO4-Fe(II)以及NaAC-Fe(II)驅(qū)動的,然后是殘基Fe(II)。由于氧化的NaH2PO4-Fe(II)和殘基Fe(II)更高,表明這二者對•OH的形成更重要。
5.該研究還探究了總鐵(TFe)的轉(zhuǎn)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CaCl2-TFe完全下降到檢出限以下,表明有氧過程中發(fā)生了CaCl2-TFe的轉(zhuǎn)化。0.5 M HCl-TFe在0.5h內(nèi)下降,隨后緩慢上升,表明其發(fā)生快速的轉(zhuǎn)化,隨后由于CaCl2-TFe的轉(zhuǎn)化而逐漸提升。5M CaCl2-TFe則有所提升,可能與前兩種物質(zhì)向其轉(zhuǎn)化有關(guān)。γ-射線照射并未顯著影響鐵礦物的轉(zhuǎn)化。總之,這些結(jié)果表明CaCl2-and 0.5 M HCl-Fe在接觸氧氣過程中轉(zhuǎn)化為結(jié)晶度更高的礦物。對整個氧化還原階段前后鐵氧化物的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢。
通過穆斯堡爾譜的進一步研究發(fā)現(xiàn),有氧處理提升了QSD(四級分裂分布)Fe(III)和HFD-Hae(超精細場分布赤鐵礦)以及HFD-Gt(針鐵礦)。但是降低了HFD-Fh(水鐵礦)的比例以及大部分無序的Fe(III)氧化物。這些結(jié)果進一步表明氧化還原過程中出現(xiàn)了非晶型鐵向晶型鐵轉(zhuǎn)化的過程。
6.該研究還測定了連續(xù)提取法產(chǎn)物中的有機碳(OC)含量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),碳含量與鐵鋁含量正相關(guān),表明鐵產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化會影響碳的移動。在厭氧和微氧條件下,CaCl2提取的OC(CaCl2-EOC)隨著氧化還原的循環(huán)逐漸提升,伴隨著0.5M HCl提取的OC(0.5 M HCl-EOC)下降,表明0.5M HCl-EOC向CaCl2-EOC的移動??偟腅OC出現(xiàn)下降,表明氧化還原循環(huán)過程中出現(xiàn)了碳的損失,主要減少了0.5M HCl-EOC,這表明其生物利用度更高。
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