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我校资环院在土壤腐殖酸-磷相互作用研究中取得新进展

核心提示: 我校资源与环境学院生物矿化课题组在《环境科学与技术》上发表研究论文,揭示了土壤有机质调控磷生物有效性的分子机制。

南湖新闻网讯(通讯员 张文君)我校资源与环境学院生物矿化课题组在《环境科学与技术》上发表了题为“Molecular Understanding of Humic Acid-LimitedPhosphate Precipitation and Transformation”的研究论文,揭示了土壤有机质调控磷生物有效性的分子机制。

由于可以形成磷酸盐的沉淀,土壤磷的生物效性与土壤金属元素(如Ca和Fe)种类和含量直接相关。长期施用有机肥可以改善磷的生物有效性,但由于土壤环境的复杂性,土壤有机质和磷酸盐沉淀的相互作用研究一直停留在土壤分析和植物响应的现象描述上,化学作用的分子机制尚不明确。

基于此科学问题,课题组设计了一个简化模式体系,并在土壤环境相关的溶液条件下,借助亚纳米级原子力显微镜原位观察了典型土壤有机质组分中的腐殖酸如何影响磷酸钙在云母表面的成核(沉淀)动力学。结果发现,随着腐殖酸浓度的提高,无论在酸性还是碱性溶液条件下磷酸钙沉淀均减少(图1)。使用高分辨透射电镜观察发现,腐殖酸能够有效稳定无定形磷酸钙,延缓其向热力学更稳定的二水磷酸氢钙(在酸性条件下易于形成)或羟基磷灰石(在碱性条件下易于形成)转变。

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图1. 云母表面无定形磷酸钙成核的原子力显微镜图像。

为了进一步解释这些纳米级的沉淀动力学观察,课题组使用了更加简化的模式有机分子,以代表复杂腐殖酸分子中的CH3, NH3+,PO3−和COO−功能基团,进而将它们分别修饰到原子力的针尖上。使用基于原子力显微镜的动态力谱技术,测定了不同官能团和矿物表面的单分子结合自由能(图2),发现这些含有不同官能团的有机分子和无定形磷酸钙的结合能显著大于它们与云母间的结合自由能。在单分子尺度上解释了腐殖酸分子通过带正负电的功能基团强烈结合到无定形磷酸钙表面上,形成有机-矿物分子键合后抑制无定形磷酸钙相转变。在形成更难溶的磷酸钙之前,这些溶解度较高的无定形磷酸钙是生物有效的,即植物根系可以吸收利用。此研究表明,土壤有机质和土壤金属离子共同控制磷的有效性和去向,为实现农业和环境可持续磷的管理提供了单分子级的理论依据。

22图2. (A-B)原子力探针修饰的腐殖酸代表性官能团和矿物表面作用的单分子力距离曲线。

本论文第一作者是资源与环境学院博士研究生葛新飞,王荔军教授和张文君副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金及我校中央高校基本科研业务费的资助。

审核人:王荔军

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b05145

责任编辑:黄雅姿
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