羟基自由基对土壤碳循环的影响 | 经典研究

　　羟基自由基（•OH）是自然界中最主要的天然氧化剂，是环境中氧化性最强的活性氧物种（Reactive oxygen species；ROS）之一。羟基自由基具有不成对电子的高度不稳定的自由基，其氧化能力仅次于氟。
　　ROS是一种天然存在的具有很强反应活性的物质，包括O2•-、H2O2、1O2和•OH等。
　　羟基自由基的形成方式主要是通过光化学反应，包括溶解性有机质的光敏反应，硝酸盐和亚硝酸盐的光降解、光催化反应以及光芬顿反应等。
　　其中，溶解有机质（DOM）的光敏反应是指DOM中的发色基团能够吸收500 nm以下的阳光，形成不稳定的1DOM*或者3DOM*。这是水体中•OH的主要来源。
　　硝酸盐和亚硝酸盐的光解反应则是指，硝酸盐其在302 nm处有吸收峰，而阳光能够激发其产生n→π*跃迁进而发生光化学转化，并形成羟基自由基。而亚硝酸盐则在220 nm处有比较容易发生跃迁的吸收峰。
　　光催化过程是指光催化剂吸收一定的光子后被激发，产生自由电子和空穴，该空穴的得电子能力较强，可以氧化吸附在表面的HO-以及H2O，形成•OH。目前催化剂主要有TiO2、ZnO2、ZrO2、CdS、ZnS等金属氧化物和金属硫化物。
　　光芬顿反应则与铁氧化物的转化相关，Fe2+起到催化的作用，其分解H2O2生成•OH，自身被氧化为Fe3+。另外Fe3+在光还原的过程中也会产生•OH。
　　此外，有研究发现暗反应也是•OH的重要形成机制。主要是由还原态腐殖质（HAred）氧化所导致的。其机理主要包括两种途径，一种是金属诱导的类芬顿反应，即还原类物质氧化过程中会产生H2O2，随后还原态腐殖质与Fe2+络合反应生成•OH。第二种途径是有机质引起的•OH形成，腐殖质中原有的半醌物质由于氧气的出现，被氧化为H2O2，最终形成•OH。此外，生物体和细胞过程也能形成•OH。
　　一般研究使用对苯二甲酸（TPA）来测定土壤或水体中的羟基自由基。在土壤溶液或者水体中加入TPA溶液，羟基自由基随后可以与其反应并形成2羟基苯甲酸（HTPA）。在黑暗有氧的条件下培养一段时间后，测定溶液中的HTPA含量，通过公式可以计算出
　　具体方法可以参考以下文献：
　　Mopper,K.;Zhou,X.Hydroxyl radical photoproduction in the sea and its potential impact on marine processes.Science 1990,250,661−664
　　此外还有研究利用香豆素（Coumermycin，COU）与羟基自由基反应并测定其羟基化产物7h-COU来表征羟基自由基的含量。
　　Journal:Envrionmental Science&Technology
　　Title:Active Iron Phases Regulate the Abiotic Transformation of Organic Carbon during Redox Fluctuation Cycles of Paddy Soil
　　活性铁氧化物调节水稻土氧化还原波动循环中的有机碳非生物转化
　　DOI:
　　https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04073
　　研究目的：铁氧化物一般在土壤中被认为起到保护有机碳的作用，但在氧化还原波动的条件下，铁介导的非生物转化过程可能会引起有机碳的损失。该研究评估了水稻土氧化还原循环中铁氧化物在驱动羟基自由基的产生以及有机碳转化过程中的作用。
　　研究方法：该研究收集了成都，长沙和鹰潭三个地区的水稻土，然后设置了一个Batch实验。该实验包括厌氧培养，微氧培养以及有氧培养三个处理，共5次循环，每次循环前将土壤泥浆厌氧培养15天（下图）。
　　研究结果：
　　1.未灭菌的土壤悬液中，三种土壤二氧化碳的产生速率没有显著的差异。但是，有氧条件下的二氧化碳产生速率比厌氧条件下高出131-138%（下图）。随着循环周期的增加，二氧化碳的产生逐渐降低，接下来主要研究第一次循环中的二氧化碳产生情况。通过γ-辐射杀菌后累积二氧碳产生降低了7.3-12.1%。表明非生物过程主导了二氧化碳的释放。
　　2.羟基自由基的测定（•OH）发现，厌氧条件下没有•OH的产生（下图a）。溶解氧是•OH形成的主要限制因素（下图b）。与厌氧和微氧条件下相比，•OH的产生速率在有氧条件下有所提升。γ辐射几乎没有改变•OH的产生（下图c），这表明•OH的产生主要是由氧气介导的过程。
　　3.为了确定Fe(II)对•OH产生的贡献，添加2,2-联吡啶（BPY）到土壤中来监视水合二价铁和表面暴露的Fe(II)基团的贡献。结果表明存在BPY的情况下，•OH的产生降低了88.1-82.9%。此外土壤泥浆中的Fe(II)含量与•OH的积累量呈现正相关。这些结果表明Fe(II)基团对•OH的产生起到重要作用。
　　该研究还用连续提取法测定了氯化钙提取的铁（CaCl2-Fe），0.5 M HCl所提取的铁（0.5 M HCl-Fe），5 M HCl所提取的铁（5 M HCl-Fe），以及氢氟酸所提取的铁（HF-Fe）。
　　结果发现，氧气暴露后CaCl2-Fe(II)在长沙和成都的水稻土中被完全氧化，但是在鹰潭土壤中逐渐下降（下图）。这可能是受到土壤pH的影响。鹰潭土壤较低的土壤pH可能引起更多的交换性Fe(II)被氧化。接触氧气也引起了0.5M HCl-Fe（II）的快速下降，长沙和成都水稻土中的0.5M HCl-Fe(II)氧化速率高于鹰潭（下图）。接触氧气后，5M HCL-Fe(II)略有下降，而HF-Fe(II)则没有显著变化。以上结果表明，CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)可能是引起•OH产生的主要因素。
　　研究还监测了氧化还原循环前后的Fe(II)矿物。发现厌氧和微氧之间Fe(II)矿物的差异并不显著。有氧处理中，5次循环后CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)下降了54.5-81.6%，而5 M HCl-Fe(II)仅下降了11.9-31.3%。Fe(II)的降低伴随着•OH的降低，这表明Fe(II)显著影响着•OH的产生。
　　4.多元回归分析也表明，•OH的产生与CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)显著相关，0.5 M HCl-Fe(II)的相关性更高，表明其可能起到更重要的作用。
　　由于0.5 M HCl-Fe(II)能够溶解表面吸附的或复合的铁（例如锈状或碳酸盐结合的铁），在一次循环中进行了一个单独提取实验，在氯化钙提取后，先后进行磷酸二氢钠以及乙酸钠浸提的铁的测定。残余的Fe(II)被认为是不可提取的部分，可以用0.5 M HCl-Fe(II)减去前面两种形态的铁得到。结果发现，成都土壤中暴露于氧气12h后有更多的磷酸二氢钠结合的铁（NaH2PO4-Fe(II))。长沙土壤中，氧气的暴露引起了磷酸二氢钠和乙酸钠结合铁（NaAC-Fe）的迅速下降，随后下降速率减缓，而残基Fe(II)则发生连续下降。以上结果表明，•OH的形成最初是由NaH2PO4-Fe(II)以及NaAC-Fe(II)驱动的，然后是残基Fe(II)。由于氧化的NaH2PO4-Fe(II)和残基Fe(II)更高，表明这二者对•OH的形成更重要。
　　5.该研究还探究了总铁（TFe)的转化。结果发现CaCl2-TFe完全下降到检出限以下，表明有氧过程中发生了CaCl2-TFe的转化。0.5 M HCl-TFe在0.5h内下降，随后缓慢上升，表明其发生快速的转化，随后由于CaCl2-TFe的转化而逐渐提升。5M CaCl2-TFe则有所提升，可能与前两种物质向其转化有关。γ-射线照射并未显著影响铁矿物的转化。总之，这些结果表明CaCl2-and 0.5 M HCl-Fe在接触氧气过程中转化为结晶度更高的矿物。对整个氧化还原阶段前后铁氧化物的研究也发现了类似的趋势。
　　通过穆斯堡尔谱的进一步研究发现，有氧处理提升了QSD（四级分裂分布）Fe(III)和HFD-Hae（超精细场分布赤铁矿）以及HFD-Gt（针铁矿）。但是降低了HFD-Fh（水铁矿）的比例以及大部分无序的Fe(III)氧化物。这些结果进一步表明氧化还原过程中出现了非晶型铁向晶型铁转化的过程。
　　6.该研究还测定了连续提取法产物中的有机碳（OC）含量，结果发现，碳含量与铁铝含量正相关，表明铁产物的转化会影响碳的移动。在厌氧和微氧条件下，CaCl2提取的OC（CaCl2-EOC）随着氧化还原的循环逐渐提升，伴随着0.5M HCl提取的OC（0.5 M HCl-EOC）下降，表明0.5M HCl-EOC向CaCl2-EOC的移动。总的EOC出现下降，表明氧化还原循环过程中出现了碳的损失，主要减少了0.5M HCl-EOC，这表明其生物利用度更高。