《Water Research X》：Chain-length-dependent adsorption of extracellular DNA on biochar: Behaviors, mechanisms, and structural Stability
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本研究针对胞外DNA(eDNA)在环境中持久性与迁移性评估的关键问题，系统探究了短链(sDNA)与长链DNA(LDNA)在不同热解温度(300-600°C)制备的生物炭上的吸附行为。研究发现sDNA因可进入介孔具有更高吸附容量(BC600达5.91 mg g-1)，而LDNA通过多位点锚定呈现更强解吸滞后性；π-π相互作用和疏水力是主要吸附机制，吸附后DNA发生构象变化但未断裂。该研究为评估生物炭对基因材料环境行为的影响提供了关键机理认知。
在土壤和水体环境中，胞外DNA（eDNA）如同一个隐形的基因宝库，不仅承载着生物遗传信息的碎片，更在水平基因转移过程中扮演关键角色，直接影响到抗生素抗性基因的传播和微生物群落的演化。然而，当这种天然的基因载体与广泛应用的生物炭相遇时，会碰撞出怎样的火花？生物炭，这种由生物质在限氧条件下热解产生的富碳材料，在碳封存和土壤改良领域大放异彩，但其与eDNA的相互作用机制，尤其是DNA链长如何影响这一过程，至今仍是未解之谜。
传统观点认为，DNA与碳质材料的相互作用主要依赖π-π堆叠和静电作用，但生物炭作为一种高度异质性的材料，其吸附行为深受热解温度和原料来源的影响。更复杂的是，自然环境中的eDNA并非整齐划一，而是从短链寡核苷酸到长链基因组片段的光谱式存在。其中，高度片段化的短链DNA（<100 bp）在长期环境演化中占据主导地位，但其与环境介质的相互作用机制却研究甚少。这种认知缺口直接制约了我们准确预测DNA在环境中的迁移、持久性和生物可利用性。
为揭开这一谜题，来自昆明理工大学的研究团队开展了一项系统研究，成果发表在《Water Research X》上。他们巧妙选取鲱鱼精子DNA（sDNA，~40 bp）和鲑鱼精子DNA（LDNA，>2000 bp）作为短链和长链DNA的代表，并制备了300°C至600°C热解的玉米秸秆生物炭（BC300-BC600）作为吸附剂。
研究团队通过多维度技术手段揭示了DNA与生物炭的相互作用机制：采用批量吸附实验分析动力学和等温线；运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和二维相关光谱（2D-COS）解析吸附过程中的构象变化；通过电子顺磁共振（EPR）评估自由基对DNA稳定性的影响；结合分子动力学（MD）模拟从分子层面阐释吸附机制。
3.1. 生物炭特性表征
研究显示，生物炭的比表面积（SSA）和介孔体积随热解温度升高而显著增加，BC600的SSA达到112.95 m2g-1，介孔体积是BC300的9.1倍。拉曼光谱证实所有生物炭均具有相似的缺陷结构，X射线光电子能谱（XPS）分析表明高温生物炭具有更高的芳香性和更少的含氧官能团。
3.2. 吸附动力学差异
sDNA在生物炭上的吸附在24小时内达到平衡，而LDNA仅需8小时。尽管sDNA吸附速率较慢，但其平衡吸附量显著高于LDNA。颗粒内扩散模型（IDM）分析表明，sDNA可进入生物炭内部孔隙，而LDNA的吸附主要限于外表面。
3.3. 吸附容量对比
Freundlich模型能更好地描述DNA在生物炭上的吸附行为，表明是多层吸附于异质表面。sDNA在BC600上的最大吸附容量为5.91 mg g-1，而LDNA仅为2.22 mg g-1。高温生物炭因具有更高比表面积、芳香性和更少表面负电荷，而表现出更强的DNA吸附能力。
3.4. 吸附机制解析
相关性分析表明，sDNA和LDNA的吸附量均与生物炭的H/C比呈显著负相关，证实π-π相互作用是关键机制。解吸实验进一步揭示，NaOH对sDNA的解吸率随热解温度升高而降低（BC300为60.51%，BC600为25.39%），LDNA表现出相似趋势但解吸滞后性更强，归因于其多位点锚定特性。
3.5. DNA结构稳定性
FTIR和2D-COS分析显示，吸附后DNA的磷酸骨架振动峰（1227和1085 cm-1）消失，碱基振动发生红移，表明DNA构象发生变化但未发生链断裂。凝胶电泳证实吸附后DNA保持完整。分子动力学模拟表明，LDNA在石墨烯氧化物（GO）表面吸附时具有更小的倾斜角（45.15°）和更高的氢键保留率（80.22%），说明其结构稳定性优于sDNA。
这项研究深刻揭示了DNA链长与生物炭特性共同调控DNA在环境中的归宿。sDNA凭借其小尺寸优势可进入生物炭孔隙，实现高容量吸附；而LDNA虽吸附量有限，但通过多位点锚定形成更稳定的复合物。吸附过程中DNA发生的构象变化可能保护其免于酶降解，从而延长其在环境中的持久性。这些认识对准确评估生物炭应用的环境影响、优化环境DNA监测技术以及理解基因材料的环境行为具有重要指导意义。
研究还指出，高温生物炭（BC500和BC600）对DNA特别是短链DNA的强吸附能力，使其成为环境中DNA的"汇"，这可能一方面有助于固定有害基因材料，另一方面也可能影响基于DNA的环境监测准确性。未来研究需进一步考察真实环境条件下（如pH波动、离子强度变化、共存物质影响）的DNA-生物炭相互作用，以及吸附后DNA的生物可利用性，为生物炭的环境风险评估和精准应用提供更全面的科学依据。
