生物炭因其孔隙结构发达,比表面积大和独特的表面化学特性而被推荐作为土壤修复剂应用于重金属污染土壤中。然而,近年来,研究者发现,生物炭环境应用过程中溶出的溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)具有高反应活性和显著流动性,对重金属迁移性影响显著,与生物炭环境行为明显不同,从而可能使生物炭在环境中的重金属封存优势被高估。因此,全面了解生物炭源溶解性有机质的结构特性及其与重金属的相互作用是深入认识和合理评估生物炭环境效应和风险的关键。但是,生物炭源DOM组成特性的极度多样性、复杂性和异质性却阻碍了相关研究的深入进行。本文以生物炭释放的DOM为研究对象,基于光谱滴定、室内培养等试验手段,结合显微观测、光谱学、质谱学和同步辐射等检测技术,辅以平行因子分析、络合模型、二维相关光谱分析、差示吸收光谱分析和高斯拟合等分析手段,研究了生物炭释放的DOM的结构特性和分子组成变化与热解温度、体系p H、微生物作用之间的关联性,探讨了不同重金属和生物炭源DOM自身特性改变对生物炭源DOM与重金属结合过程的影响机制,最后深入分析了生物炭源DOM与重金属结合的微观结构机制。本文的研究内容和结果如下:(1)热解温度(300、400、500℃)影响下生物炭源DOM的表观形貌、结构特性和分子组成变化规律的解析。对比分析小麦与玉米秸秆生物炭源DOM的特征发现,两者的溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)浓度、形貌特征、矿物组成、有机结构和分子组成对热解温度的响应特征具有相似性。随着热解温度的增加,生物炭源DOM的DOC浓度显著性降低(p-1。通过扫描电镜表征生物炭源DOM发现,在低热解温度条件下,生物炭源DOM的表面由光滑的不规则结构聚合在一起,但是随热解温度的增加,生物炭源DOM表面的光滑度降低且聚合结构模糊化,表面矿物质增多。生物炭源DOM表面的矿物质以钾盐为主,同时随着热解温度的增加,矿物质深绿辉石的含量增加。另外,通过固体核磁共振和傅里叶变换离子回旋共振质谱对生物炭源DOM的有机结构组成分析发现,生物炭源DOM的分子组成以碳氢氧类化合物为主,热解温度的增加,促进生物炭释放大量的缩合芳香性以及含氧官能团进入溶解相,同时降低了生物炭源DOM中木质素的含量。(2)生物炭源DOM的分子结构、官能团类型和分子构型构象对p H-热解温度双因素变化的响应特征分析。根据三维荧光光谱结合平行因子分析的结果可知,在不同的热解温度条件下,生物炭源DOM的3种荧光组分对p H的响应特征具有相似性,但是,不同荧光组分的荧光强度随p H变化的变化趋势不同,类腐殖酸组分C1的荧光强度在所研究的p H范围内(3.0–10.0)整体呈上升趋势;类腐殖酸组分C2的荧光强度在p H 4.0出现峰值,且在p H 9.0–10.0范围呈上升趋势;类蛋白质组分C3荧光强度的变化趋势与组分C2相反。受热解温度的影响,生物炭源DOM的差示吸收光谱沿观测波长呈不同的变化趋势,且具有的特征峰的峰位和数量不同。随着p H的变化,生物炭源DOM的差示吸收光谱的特征峰峰位不变,但是峰强和峰宽发生了一定的变化。通过高斯拟合,差示吸收光谱的特征峰与酚羟基和羧基、发色团之间的内反应以及分子构型构象的变化有关,说明这些作用在生物炭源DOM对p H响应过程中的重要性。(3)生物炭源DOM的微生物转化过程及其与不同重金属结合差异性探究。基于紫外可见吸收光谱参数以及三维荧光光谱结合平行因子分析,发现生物炭源DOM自身含有丰富的高碳化、高芳香性以及高分子量组分,并在微生物作用过程中得到增强,这可能有助于提高生物炭源DOM的环境稳定性以及与重金属的结合能力。通过同步荧光光谱和红外光谱结合二维相关光谱分析发现,Cd(II)优先与生物炭源DOM的蛋白质类和富里酸类组分结合,而蛋白质类和腐殖酸类组分对Cu(II)具有更强的亲和力。此外,酚基和羧基优先参与Cd(II)与生物炭源DOM的结合过程,而多糖对Cu(II)干扰的响应最快。这些结果清楚地证明了生物炭源DOM中单个荧光组分和有机官能团在特定重金属结合行为中的差异性,有助于提高对生物炭在多金属污染土壤系统中应用潜力的认识。(4)不同热解温度生物炭释放的DOM中特定组分与重金属结合的能力和顺序探讨。随着热解温度的升高,小麦和玉米秸秆生物炭释放的DOM中荧光组分的荧光分布规律以及对重金属的响应特征具有相似性。腐殖酸类组分荧光强度的相对分布增加而蛋白质类的相对分布降低,此外,热解温度每增加100℃,生物炭源DOM的荧光组分与Cu(II)的结合稳定常数log K_M约增加1个数量级。通过二维红外相关光谱分析发现,生物炭源DOM中重金属结合位点具有多相性分布特征且结合顺序高度复杂。Cu(II)与生物炭源DOM的结合过程均有非荧光组分多糖基的参与,且具有优先性;酰胺基只参与300℃和400℃热解生物炭释放的DOM与Cu(II)的相互作用过程,因为500℃热解生物炭只含有微量的蛋白质;酚羟基只参与500℃热解生物炭释放的DOM与Cu(II)的结合作用,并对Cu(II)浓度增加的响应最快。以上研究结果为合理评估生物炭在污染环境中的应用潜力提供了新的视角。(5)生物炭源DOM与Cu(II)结合的微观结构机制的深入探索。研究发现,Cu(II)滴定生物炭源DOM的差示吸收光谱只在250 nm附近出现明显的特征峰,而在300 nm以上波长范围内变化不明显,表明羧基发色团的参与是Cu(II)与生物炭源DOM的主要结合作用,而分子间的内反应以及分子结构的作用较小。通过X-射线吸收光谱进一步分析发现,Cu(II)与生物炭源DOM以Cu-O-C结构形成内圈络合物,并且Cu(II)主要是与生物炭源DOM的两个相邻的羧基双齿配位形成七元环状内圈络合物。综上所述,本文发现生物炭源DOM的组成结构特性高度依赖于生物炭制备的温度、体系p H以及微生物的作用,相互关系错综复杂但存在一定的规律可寻。此外,本文明确了生物炭源DOM与重金属结合的金属特异性、热解温度影响机制以及微观结构机制,构建了热解温度、生物炭源DOM特性以及生物炭源DOM-重金属结合作用三者之间的构效关系。本文的研究结果有助于理解生物炭施用过程中溶出的DOM的环境化学行为以及与重金属相互作用的变化规律,并为生物炭在重金属污染环境中应用风险的合理评估提供理论性依据。