羥基自由基（•OH）是自然界中最主要的天然氧化劑，是環(huán)境中氧化性最強(qiáng)的活性氧物種（Reactive oxygen species；ROS）之一。羥基自由基具有不成對電子的高度不穩(wěn)定的自由基，其氧化能力僅次于氟。
　　ROS是一種天然存在的具有很強(qiáng)反應(yīng)活性的物質(zhì)，包括O2•-、H2O2、1O2和•OH等。
　　羥基自由基的形成方式主要是通過光化學(xué)反應(yīng)，包括溶解性有機(jī)質(zhì)的光敏反應(yīng)，硝酸鹽和亞硝酸鹽的光降解、光催化反應(yīng)以及光芬頓反應(yīng)等。
　　其中，溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）的光敏反應(yīng)是指DOM中的發(fā)色基團(tuán)能夠吸收500 nm以下的陽光，形成不穩(wěn)定的1DOM*或者3DOM*。這是水體中•OH的主要來源。
　　硝酸鹽和亞硝酸鹽的光解反應(yīng)則是指，硝酸鹽其在302 nm處有吸收峰，而陽光能夠激發(fā)其產(chǎn)生n→π*躍遷進(jìn)而發(fā)生光化學(xué)轉(zhuǎn)化，并形成羥基自由基。而亞硝酸鹽則在220 nm處有比較容易發(fā)生躍遷的吸收峰。
　　光催化過程是指光催化劑吸收一定的光子后被激發(fā)，產(chǎn)生自由電子和空穴，該空穴的得電子能力較強(qiáng)，可以氧化吸附在表面的HO-以及H2O，形成•OH。目前催化劑主要有TiO2、ZnO2、ZrO2、CdS、ZnS等金屬氧化物和金屬硫化物。
　　光芬頓反應(yīng)則與鐵氧化物的轉(zhuǎn)化相關(guān)，F(xiàn)e2+起到催化的作用，其分解H2O2生成•OH，自身被氧化為Fe3+。另外Fe3+在光還原的過程中也會(huì)產(chǎn)生•OH。
　　此外，有研究發(fā)現(xiàn)暗反應(yīng)也是•OH的重要形成機(jī)制。主要是由還原態(tài)腐殖質(zhì)（HAred）氧化所導(dǎo)致的。其機(jī)理主要包括兩種途徑，一種是金屬誘導(dǎo)的類芬頓反應(yīng)，即還原類物質(zhì)氧化過程中會(huì)產(chǎn)生H2O2，隨后還原態(tài)腐殖質(zhì)與Fe2+絡(luò)合反應(yīng)生成•OH。第二種途徑是有機(jī)質(zhì)引起的•OH形成，腐殖質(zhì)中原有的半醌物質(zhì)由于氧氣的出現(xiàn)，被氧化為H2O2，最終形成•OH。此外，生物體和細(xì)胞過程也能形成•OH。
　　一般研究使用對苯二甲酸（TPA）來測定土壤或水體中的羥基自由基。在土壤溶液或者水體中加入TPA溶液，羥基自由基隨后可以與其反應(yīng)并形成2羥基苯甲酸（HTPA）。在黑暗有氧的條件下培養(yǎng)一段時(shí)間后，測定溶液中的HTPA含量，通過公式可以計(jì)算出
　　具體方法可以參考以下文獻(xiàn)：
　　Mopper,K.;Zhou,X.Hydroxyl radical photoproduction in the sea and its potential impact on marine processes.Science 1990,250,661−664
　　此外還有研究利用香豆素（Coumermycin，COU）與羥基自由基反應(yīng)并測定其羥基化產(chǎn)物7h-COU來表征羥基自由基的含量。
　　Journal:Envrionmental Science&Technology
　　Title:Active Iron Phases Regulate the Abiotic Transformation of Organic Carbon during Redox Fluctuation Cycles of Paddy Soil
　　活性鐵氧化物調(diào)節(jié)水稻土氧化還原波動(dòng)循環(huán)中的有機(jī)碳非生物轉(zhuǎn)化
　　DOI:
　　https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04073
　　研究目的：鐵氧化物一般在土壤中被認(rèn)為起到保護(hù)有機(jī)碳的作用，但在氧化還原波動(dòng)的條件下，鐵介導(dǎo)的非生物轉(zhuǎn)化過程可能會(huì)引起有機(jī)碳的損失。該研究評估了水稻土氧化還原循環(huán)中鐵氧化物在驅(qū)動(dòng)羥基自由基的產(chǎn)生以及有機(jī)碳轉(zhuǎn)化過程中的作用。
　　研究方法：該研究收集了成都，長沙和鷹潭三個(gè)地區(qū)的水稻土，然后設(shè)置了一個(gè)Batch實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)包括厭氧培養(yǎng)，微氧培養(yǎng)以及有氧培養(yǎng)三個(gè)處理，共5次循環(huán)，每次循環(huán)前將土壤泥漿厭氧培養(yǎng)15天（下圖）。
　　研究結(jié)果：
　　1.未滅菌的土壤懸液中，三種土壤二氧化碳的產(chǎn)生速率沒有顯著的差異。但是，有氧條件下的二氧化碳產(chǎn)生速率比厭氧條件下高出131-138%（下圖）。隨著循環(huán)周期的增加，二氧化碳的產(chǎn)生逐漸降低，接下來主要研究第一次循環(huán)中的二氧化碳產(chǎn)生情況。通過γ-輻射殺菌后累積二氧碳產(chǎn)生降低了7.3-12.1%。表明非生物過程主導(dǎo)了二氧化碳的釋放。
　　2.羥基自由基的測定（•OH）發(fā)現(xiàn)，厭氧條件下沒有•OH的產(chǎn)生（下圖a）。溶解氧是•OH形成的主要限制因素（下圖b）。與厭氧和微氧條件下相比，•OH的產(chǎn)生速率在有氧條件下有所提升。γ輻射幾乎沒有改變•OH的產(chǎn)生（下圖c），這表明•OH的產(chǎn)生主要是由氧氣介導(dǎo)的過程。
　　3.為了確定Fe(II)對•OH產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，添加2,2-聯(lián)吡啶（BPY）到土壤中來監(jiān)視水合二價(jià)鐵和表面暴露的Fe(II)基團(tuán)的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明存在BPY的情況下，•OH的產(chǎn)生降低了88.1-82.9%。此外土壤泥漿中的Fe(II)含量與•OH的積累量呈現(xiàn)正相關(guān)。這些結(jié)果表明Fe(II)基團(tuán)對•OH的產(chǎn)生起到重要作用。
　　該研究還用連續(xù)提取法測定了氯化鈣提取的鐵（CaCl2-Fe），0.5 M HCl所提取的鐵（0.5 M HCl-Fe），5 M HCl所提取的鐵（5 M HCl-Fe），以及氫氟酸所提取的鐵（HF-Fe）。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧氣暴露后CaCl2-Fe(II)在長沙和成都的水稻土中被完全氧化，但是在鷹潭土壤中逐漸下降（下圖）。這可能是受到土壤pH的影響。鷹潭土壤較低的土壤pH可能引起更多的交換性Fe(II)被氧化。接觸氧氣也引起了0.5M HCl-Fe（II）的快速下降，長沙和成都水稻土中的0.5M HCl-Fe(II)氧化速率高于鷹潭（下圖）。接觸氧氣后，5M HCL-Fe(II)略有下降，而HF-Fe(II)則沒有顯著變化。以上結(jié)果表明，CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)可能是引起•OH產(chǎn)生的主要因素。
　　研究還監(jiān)測了氧化還原循環(huán)前后的Fe(II)礦物。發(fā)現(xiàn)厭氧和微氧之間Fe(II)礦物的差異并不顯著。有氧處理中，5次循環(huán)后CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)下降了54.5-81.6%，而5 M HCl-Fe(II)僅下降了11.9-31.3%。Fe(II)的降低伴隨著•OH的降低，這表明Fe(II)顯著影響著•OH的產(chǎn)生。
　　4.多元回歸分析也表明，•OH的產(chǎn)生與CaCl2-以及0.5 M HCl-Fe(II)顯著相關(guān)，0.5 M HCl-Fe(II)的相關(guān)性更高，表明其可能起到更重要的作用。
　　由于0.5 M HCl-Fe(II)能夠溶解表面吸附的或復(fù)合的鐵（例如銹狀或碳酸鹽結(jié)合的鐵），在一次循環(huán)中進(jìn)行了一個(gè)單獨(dú)提取實(shí)驗(yàn)，在氯化鈣提取后，先后進(jìn)行磷酸二氫鈉以及乙酸鈉浸提的鐵的測定。殘余的Fe(II)被認(rèn)為是不可提取的部分，可以用0.5 M HCl-Fe(II)減去前面兩種形態(tài)的鐵得到。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，成都土壤中暴露于氧氣12h后有更多的磷酸二氫鈉結(jié)合的鐵（NaH2PO4-Fe(II))。長沙土壤中，氧氣的暴露引起了磷酸二氫鈉和乙酸鈉結(jié)合鐵（NaAC-Fe）的迅速下降，隨后下降速率減緩，而殘基Fe(II)則發(fā)生連續(xù)下降。以上結(jié)果表明，•OH的形成最初是由NaH2PO4-Fe(II)以及NaAC-Fe(II)驅(qū)動(dòng)的，然后是殘基Fe(II)。由于氧化的NaH2PO4-Fe(II)和殘基Fe(II)更高，表明這二者對•OH的形成更重要。
　　5.該研究還探究了總鐵（TFe)的轉(zhuǎn)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CaCl2-TFe完全下降到檢出限以下，表明有氧過程中發(fā)生了CaCl2-TFe的轉(zhuǎn)化。0.5 M HCl-TFe在0.5h內(nèi)下降，隨后緩慢上升，表明其發(fā)生快速的轉(zhuǎn)化，隨后由于CaCl2-TFe的轉(zhuǎn)化而逐漸提升。5M CaCl2-TFe則有所提升，可能與前兩種物質(zhì)向其轉(zhuǎn)化有關(guān)。γ-射線照射并未顯著影響鐵礦物的轉(zhuǎn)化。總之，這些結(jié)果表明CaCl2-and 0.5 M HCl-Fe在接觸氧氣過程中轉(zhuǎn)化為結(jié)晶度更高的礦物。對整個(gè)氧化還原階段前后鐵氧化物的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢。
　　通過穆斯堡爾譜的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，有氧處理提升了QSD（四級(jí)分裂分布）Fe(III)和HFD-Hae（超精細(xì)場分布赤鐵礦）以及HFD-Gt（針鐵礦）。但是降低了HFD-Fh（水鐵礦）的比例以及大部分無序的Fe(III)氧化物。這些結(jié)果進(jìn)一步表明氧化還原過程中出現(xiàn)了非晶型鐵向晶型鐵轉(zhuǎn)化的過程。
　　6.該研究還測定了連續(xù)提取法產(chǎn)物中的有機(jī)碳（OC）含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳含量與鐵鋁含量正相關(guān)，表明鐵產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化會(huì)影響碳的移動(dòng)。在厭氧和微氧條件下，CaCl2提取的OC（CaCl2-EOC）隨著氧化還原的循環(huán)逐漸提升，伴隨著0.5M HCl提取的OC（0.5 M HCl-EOC）下降，表明0.5M HCl-EOC向CaCl2-EOC的移動(dòng)?？偟腅OC出現(xiàn)下降，表明氧化還原循環(huán)過程中出現(xiàn)了碳的損失，主要減少了0.5M HCl-EOC，這表明其生物利用度更高。