华南师范大学环境研究院

近日，华南师范大学环境学院应光国教授团队周至城博士、杨滨研究员等人在《Water Research》上发表了题为“Phototransformation of Benzodiazepines in Water Mediated by Dissolved Black Carbon: Mechanisms and the Structure-Reactivity Relationship”的论文（DOI: 10.1016/j.watres.2025.124701）。论文考察了溶解性黑碳对苯二氮䓬类药物光转化过程的介导作用，通过自由基化学、结构表征和统计分析手段，探究了反应机制和构效关系。结果表明，水中溶解性黑碳可通过光致生成三重激发态等活性物种高效介导苯二氮䓬类药物的光转化，分子量、芳香度以及氧化度是溶解性黑碳光活性的关键结构因素。

图文摘要

背景

溶解性黑碳是黑碳连续体中可溶于水的部分，也是天然溶解性有机质的重要组分，其具有很强的光化学活性，在光照下可高效产生活性物种，从而介导水中污染物的光化学过程。苯二氮䓬类药物是一类被大量生产和广泛使用的精神类药物，主要用于治疗癫痫、恐慌、抑郁、焦虑和失眠等。近年来，苯二氮䓬类药物在水环境中被频繁检出，造成潜在的生态和健康风险。苯二氮䓬类药物在水中可经历一系列迁移转化过程，其中光转化是最重要的转化途径之一。苯二氮䓬类药物的直接光转化速率很低，但溶解性有机质等环境光活性组分可高效介导其光化学过程。作为水环境中的极具光活性的组分，溶解性黑碳可能介导苯二氮䓬类药物的光转化。溶解性黑碳的光活性和介导效应与其结构性质密切相关，但关键结构因素和构效关系尚不明晰。因此，本研究以苯二氮䓬类药物为模型污染物，探究其在溶解性黑碳介导下的光化学过程，并阐明反应机制和构效关系。

成果简介

1、 苯二氮䓬类药物的光转化反应

文章探究了5种生物质来源（竹子、玉米、花生、水稻和高粱）的溶解性黑碳（BDBC、CDBC、PDBC、RDBC和SDBC）对2种苯二氮䓬类药物（咪哒唑伦和氟西泮）光化学过程的介导效应，并以4种腐殖质（AHA、SRHA、SRFA和SRNOM）作对比。在5 mgC/L溶解性黑碳的介导下，8 h内磷酸缓冲盐中咪达唑仑的光反应转化率从13.3%提升至61.1% - 99.5%，氟西泮的转化率从1.3% 提升至 19.0% - 84.6%。溶解性黑碳的介导效率显著高于一般腐殖质。由溶解性黑碳介导的咪达唑仑（φ_s,MDZ）和氟西泮（φ_s,FZP）的间接光转化量子产率分别为(1.81 - 3.79) × 10^-5和(1.88 - 12.4) × 10^-6，而由腐殖质介导的分别为(5.44 - 9.89) × 10^-6和(0.437 × - 3.76) × 10^-6。在实际河流水样中，溶解性黑碳同样具有类似的介导效应。在溶解性黑碳的介导下，河水中咪哒唑伦光反应速率常数从0.050 h^-1增加到0.54 h^-1，氟西泮的光反应速率常数从0.048 h^-1上升到0.25 h^-1。

图1. 苯二氮䓬类药物的光转化反应动力学

2、 活性物种的贡献

使用活性物种抑制剂探究了活性物种在苯二氮䓬类药物光转化中的贡献。·OH、O₂^·-、¹O₂和三重激发态在咪哒唑伦光反应中的贡献率分别为9.5%、10.5、30.1%和46.7%。在氟西泮光转化中，·OH和O₂^·-的贡献极低，¹O₂和三重激发态的贡献率分别为15.7%和84.7%。三重激发态与两种苯二氮䓬类药物光转化的量子产率呈良好的线性相关（图2d）。溶解性黑碳比一般腐殖质更具光活性，二者的¹O₂量子产率分别为(2.30 - 6.16) × 10^-2和(0.626 - 1.36) × 10^-2，三重激发态的量子产率分别为(2.18 - 6.66) × 10^-2和(0.462 - 1.81) × 10^-2。

图2. 抑制剂实验和活性物种的贡献

3、 苯二氮䓬类药物的光转化反应途径

与活性物种的贡献相对应，水中溶解性黑碳介导的苯二氮䓬类药物光转化反应途径主要为（1）¹O₂氧化反应，以及（2）与三重激发态之间的电荷转移，从而引发二氮杂环的裂解以及与溶解性黑碳组分分子的交叉偶联反应。

图3. 咪哒唑伦和氟西泮的光转化反应途径

4、 溶解性黑碳结构对其光活性和介导效应的影响

文章以一般腐殖质作对比，对溶解性黑碳的组成和结构进行了表征。紫外-可见光谱和凝胶渗透色谱表征证明，相比于一般腐殖质，溶解性黑碳具有更低的分子量和更高的芳香度。傅里叶离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）表征表明，相比于腐殖质，溶解性黑碳有相似的分子不饱和度（DBE），更高的芳香指数AImod（0.57 - 0.65，腐殖质的为0.37 - 0.46），更高的碳氧化度NOSC（0.26 - 0.35，腐殖质为-0.18 - 0.17），这表明溶解性黑碳的芳香度、分子氧化程度和极性更高。van Krevelen图进一步显示了溶解性黑碳和一般腐殖质在组成结构上的差异。二者主要由木质素类、稠环芳香结构和单宁酸类组分组成（总占比＞ 90%），溶解性黑碳的稠环芳香结构占比更高，而腐殖质中木质素类和单宁酸类的相对丰度更高。元素组成上，溶解性黑碳中含硫分子式的相对含量较高（CHOS% = 19.8%），而腐殖质中则含有更多的含氮分子式（CHON% = 10.6%）。上述结果表明溶解性黑碳和一般腐殖质存在明显的结构差异。

图4. 溶解性黑碳和腐殖质的FT-ICR MS表征结果

Spearman秩相关分析初步揭示了结构对光活性和介导效率的影响。φ_triplet、φ_1O2和φ_O2·-与稠环芳香结构含量、NOSC、AImod和CHOS%呈正相关（ρ > 0.4），表明芳香结构和分子氧化程度是促进这三种活性物种生成的关键结构因素。与活性物种的贡献率一致，φ_s,MDZ/φ_s,FZP与结构因素之间的相关性与φ_triplet与φ_1O2之间的相关性几乎相同。稠环芳香结构和不饱和烃类与活性物种以及苯二氮䓬类药物光转化量子产率之间表现出较强的相关性（ρ> 0.4），次一等相关的为木质素类。鉴于不饱和烃的丰度极低，稠环芳香结构和木质素类被认为是影响光活性和介导效率的重要组分。

图5. 活性物种和苯二氮䓬类药物光反应的量子产率及二者与溶解性黑碳/腐殖质结构的Spearman秩相关分析

通过结构方程模型描述了结构-光活性-介导效率间的关联。AImod和NOSC对模型具有显著的正效应（p < 0.001），而M_w呈显著的负效应（p < 0.001），φ_triplet/φ_1O2与光活性之间的路径（p < 0.001）比φ_O2·-（0.001 < p < 0.01）更显著，φ_s,MDZ和φ_s,FZP对介导效率均有显著正效应（p < 0.001）。模型的间接效应（结构→光活性→介导效率）显著（间接效应系数 = 0.74），而直接效应（结构→介导效率）不显著（直接效应系数 = 0.10），光活性在该模型中的效应是完全中介效应，即结构因素直接影响光活性，间接影响介导效率。

图6. 结构因素-光活性-介导效率的结构方程模型

分别使用结构参数和由FT-ICR MS得到的碎片分子式丰度作为预测变量构建了两个正交偏最小二乘回归（OPLSR）模型。共有13个结构参数的VIP值大于1：AImod > H/C > S_275-295 > NOSC > 稠环芳香结构(%) > M_w > CHOS(%) > E₂/E₃ > DBE > E₄/E₆ > 不饱和烃类(%) > S_R > 木质素类(%)。芳香度、氧化程度和分子量成为影响溶解性黑碳光活性的主要结构因素，分子不饱和度则表现出次要影响。根据载荷图可识别出2040个光活性分子式。溶解性黑碳包含了其中的1824个，平均总相对丰度（M_tot,ave）为45.2%，腐殖质包含了1696个光活性分子式（M_tot,ave = 15.0%）。相较于腐殖质，溶解性黑碳展现出更优异的光活性和介导能力，这源于其更高的芳香性，更高的分子氧化程度以及更低的分子量。

图7. 根据结构参数和FT-ICR MS碎片分子式构建的OPLSR模型分析结果

van Krevelen图中体现了2种有机质的分子式与活性物种间的相关性。VIP值大于等于1的区域主要由部分木质素类和稠环芳香结构组成，表明这些结构对光活性更具影响。在VIP ≥ 1区域中，具有更小m/z值的分子式（O/C ≤ 0.5，H/C ≤ 1.0）更倾向于与三重激发态和¹O₂的产生呈正相关（φ_triplet或φ_1O2系数 > 0）。结果表明，低分子量的木质素类和稠环芳香结构有利于三重激发态和¹O₂产生，而O₂^·-的生成可能与由氧化还原性基团介导的电子转移途径有关。

图8. van Krevelen图中溶解性黑碳和腐殖质分子式的VIP值和系数

结论与意义

本研究以苯二氮䓬类药物为模型污染物，探究了水中溶解性黑碳的光活性、介导效应和构效关系。研究结果表明，分子量、芳香度和分子氧化度是溶解性黑碳光活性的关键结构因素，低分子量的稠环芳香和木质素类结构更有利于三重激发态和单线态氧的形成。该研究阐明了苯二氮䓬类药物光转化过程中溶解性黑碳的介导机制和构效关系，对认识溶解性黑碳的环境效应具有重要意义，同时为进一步了解苯二氮䓬类药物的迁移转化过程作了重要补充。

全文链接

Zhi-Cheng Zhou, Bin Yang*, He-Yun Fu, Xiao-Lei Qu, Pei-Zhe Sun, Yong Feng, Guang-Guo Ying. Phototransformation of benzodiazepines in water mediated by dissolved black carbon: Mechanisms and the structure-reactivity relationship. Water Research, 2026, 288, Part B, 124701. https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124701.