共沉淀引发的溶解性有机质在水铁矿/水界面的分子分馏特性

摘要

土壤矿物与溶解性有机质(DOM)的相互作用会引起DOM在矿物/水界面的结构分馏,进而影响DOM在土壤中的长期保存及其环境行为。水铁矿在环境中广泛存在,可通过两种不同方式(表面吸附或共沉淀)与DOM结合。目前,鲜有研究从分子尺度上揭示共沉淀反应诱发的DOM在水铁矿/水界面的结构分馏特性。为此,通过共沉淀方式在碳/铁比(C/Fe)不同的溶液中制备水铁矿-DOM复合体,将传统光谱手段(如,紫外(UV)-可见光光谱、Fe K边X射线吸收光谱(XAS)等)和近年来兴起的电喷雾-傅里叶变换-离子回旋共振质谱(ESI-FT-ICR-MS)相结合,从分子水平解析共沉淀过程中DOM在水铁矿/水界面的结构分馏行为。结果显示:水铁矿-DOM复合体中Fe主要以水铁矿的形式存在,所占比例与C/Fe值有关,介于68.0%~95.9%之间。UV和ESI-FT-ICR-MS分析共同表明,在共沉淀过程中,水铁矿优先固定DOM中具有高分子量的富含氧的芳香性组分(主要为燃烧过程中产生的致密多环芳香类物质和维管植物来源的多酚类物质),表明无论表面吸附还是共沉淀,水铁矿均倾向于固定芳香性强的高分子量组分。此外,本研究率先发现水铁矿对DOM的结构选择性随反应时间呈一定动态变化,表现为:燃烧过程中产生的致密多环芳香类组分优先被固定在复合体中,随着反应推进,维管植物来源的多酚类组分被固定。本研究结果有助于深入理解水铁矿形成过程中,通过共沉淀作用影响DOM环境地球化学行为的分子分馏机制。