应用文档 - 磁共振

研究显示野火炭中的自由基会持续很长时间

“野火产生的炭在世界各地无处不在,因此,全面了解其对气候系统、生态系统功能和环境健康的影响是十分重要的。”

野火是发生在生态系统中的一个自然过程,刺激再生和迭代周期。然而,由于人类的影响,人为和自然引起的野火频率不断增加,所造成的环境影响还有很多需要研究。具体来说,野火产生木炭,这是一种宝贵的能源,可以在不同的地形中找到,并对气候系统和整体生态系统的健康产生影响。木炭在自然环境中具有这种影响,部分原因是它作为环境持久性自由基(EPFRs)的一个来源。

在自然界中,自由基是活性元素形式的前体,如氧气,对环境构成潜在威胁。EPFRs已被发现与自然系统产生的负面后果有关。从对细菌和单个细胞功能的微小的不利影响,到对有效的植物生长和发展等整个过程的破坏,EPFRs对生物系统(包括人类)构成了潜在威胁。

虽然过往的研究集中在木炭作为一种污染物和它在破坏自然营养循环中的作用,但对木炭作为环境持久性自由基的来源却知之甚少。一个来自奥地利、西班牙和英国大学的欧洲研究小组着手调查更多关于EPFRs的情况,特别是关注它们在野火产生的木炭中的浓度水平和稳定寿命。

测量野火炭样品中自由基的水平和稳定性

研究小组分析了从10个不同的野火现场收集的60个野火木炭样本,以确保在研究中可以从不同的生态系统中得出结论。例如,样本来自生态系统,包括森林、灌木丛和草原,跨越不同的气候,如热带、亚热带和温带。

采样之后,研究小组使用一系列的物理和化学分析方法对野火木炭进行了定性分析。具体来说,使用布鲁克的X波段Elexsys-II E500 ESR电子顺磁共振波谱仪对样品进行了ESR波谱分析,调频100 kHz,微波频率为9.8 GHz。进一步的测量和计算是使用布鲁克Win ESR采集软件进行的,然后对数据进行了分析。

此研究发现,野火木炭中EPFRs的浓度很高。此外,还发现,分析样本中EPFRs的水平与木炭中也记录的碳量呈正相关。

这项调查不仅揭示了有关野火木炭中EPFRs数量的信息,而且还深入了解了EPFRs的性质。研究小组得出结论,野火木炭中的EPFRs可以多年保持稳定。在实验中,他们观察到在野火发生后的四年里,EPFR的浓度有轻微下降;而野火发生后的第五年,自由基填充的木炭形成,EPFR的下降幅度略大。

高浓度加上EPFRs在自然生态系统中的高稳定性,对环境造成了重大影响。如果木炭和其中所含的EPFRs污染了水源,EPFRs可能会蜕变成高度不稳定的有毒形式。

然而,研究人员认为,如果想要准确理解野火木炭EPFRs构成的环境风险的范围和强度并得出结论,还需要进一步研究。特别是随着全球条件的变化以及自然和人为原因造成的野火的增加,研究木炭中的EPFRs对于理解环境动态至关重要。

电子自旋共振(ESR)或电子顺磁共振(EPR)对检测物质中的未配对电子自旋非常敏感。有机自由基携带这种未配对的电子,参与从食品和化妆品的氧化老化,到聚合物降解和原油中的沥青检测,再到这里描述的野火残骸中的木炭等过程。

布鲁克独特的EPR产品系列解决方案,包含了从按钮式质量控制工具,到敏感度显著提升的研究型仪器。

参考文献:

Sigmund, G., Santín, C., Pignitter, M. et al. Environmentally persistent free radicals are ubiquitous in wildfire charcoals and remain stable for years. Commun Earth Environ 2, 68 (2021). https://doi.org/10.1038/s43247-021-00138-2