近期，西北农林科技大学资源环境学院研究团队依托西安计算中心提供的计算平台，助力了天然有机物质—重金属阳离子相互作用的多尺度模拟：团聚稳定机制的研究，取得了新的进展。该研究结果在国际水协（IWA）主办的期刊《Water Research》上发表，并对西安计算中心致谢。该期刊为环境领域两大顶级期刊之一，也是自然指数源刊，在环境生态领域具有广泛影响力。

论文标题：

《Multi-scale modeling of natural organic matter–heavy metal cations interactions: Aggregation and stabilization mechanisms 》

天然有机物质—重金属阳离子相互作用的多尺度模拟：团聚稳定机制

摘要图

研究目的：

   天然有机质(NOM)与重金属离子在水体环境中的相互作用，在全球有机碳循环和重金属元素迁移转化过程中发挥着重要的作用。由于有机质自身结构和组成的复杂性，传统实验很难在分子层面上精确阐明其表面过程，且不同类型的重金属离子对有机质团聚行为及稳定机制的影响尚不清楚。该研究围绕天然有机质(NOM)和重金属离子 (Ag+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, Eu3+)，基于分子动力学和量子化学方法，系统地研究了水环境中有机质在不同pH条件下的团聚机制以及不同重金属离子与有机质的络合。

研究方法：

   分子动力学模拟、量子化学计算和伞型采样自由能计算。

计算模型的初始结构。NOM片段以棒状表示。颜色说明：Cd =品红；Na =绿色；C =青色；N =蓝色；H =白色；O =红色。为了清楚说明，省略了水分子。

研究结果：

   研究结果表明，中性条件下重金属离子与有机质间的静电相互作用（阳离子桥接）是导致有机质团聚的主要驱动力，而酸性条件下有机质亲水性官能团间形成的氢键以及苯环之间的π-π作用是导致有机质团聚的主要原因；不同金属离子促进有机质团聚的方式不同，Ag+、Cd2+、Pb2+、Eu3+主要通过与去质子化的羧基形成内球络合的方式，直接促进有机质的团聚，而Zn2+则通过其自身相对稳定的配位水与去质子化的羧基间形成外球络合物的方式，间接导致有机质的团聚。因此，金属离子与有机质间的间接作用也可以促进有机质的团聚和稳定。

中性环境下NOM-Cd2+ 体系中不同时刻分子聚集体的结构演化。(a)0 ns;(b) 5 ns;(c) 25 ns;(d) 50 ns;(e)75 ns;(f) 100 ns。

两个TNB分子在酸性溶液中形成π-π相互作用的相互作用区域指示函数(IRI)等面图。

研究结论：

   本研究通过分子动力学模拟、量子化学计算和伞型采样自由能计算的方法，系统性地研究了不同价态的重金属离子与天然有机质在不同pH条件下的表面相互作用，揭示了重金属-有机质的动态结合过程、团聚体结构特征、络合结构和反应自由能，最后对有机碳的稳定化过程以及金属离子的环境归趋进行了展望。