封面文章 | 纳米尺度观察糖-黏土微团聚体对磷素吸附的影响

学术   科学   2024-03-13 10:01   江苏  
作者:迟家霖,贾崇昊,张文君
单位:华中农业大学资源与环境学院

卷期:《土壤学报2024年第61卷第1

糖-黏土团聚体对磷素的转化具有重要的调控作用,为揭示纳米尺度下糖介导的微团聚体初始形成过程及对磷的吸附效果,选择人工改性的纳米黏土硅酸镁锂,以及不同分子量的葡萄糖及葡聚糖,通过拉曼光谱和原子力显微镜观察不同糖与硅酸镁锂形成的微团聚体结构,利用单分子力谱解释了不同分子量糖和硅酸镁锂间的作用力差异,并比较微团聚体对磷素的吸附能力差异,以期为深入阐明团聚体与磷素的地球化学循环过程提供新方法及理论依据。

注:葡萄糖(a)、葡聚糖-5b)、葡聚糖-20c)与硅酸镁锂混合后形成微团聚体的相关官能团信号强度;d)微团聚体中糖(521540cm-1)和硅酸镁锂(683 cm-1)拉曼特征峰峰强的比值。图中大写字母表示不同处理间存在极显著性差异(P < 0.01)。

拉曼光谱鉴定糖-硅酸镁锂微团聚体结构

Fig.1 Raman spectra identification of Sugar-laponite microaggregates

原子力显微镜表征糖-黏土微团聚体

Fig.2 AFM characterization of sugar-laponite aggregates

注:a)单分子力谱的示意图;b)镀金探针、c)交联剂LC-SPDPd)不同分子量糖和硅酸镁锂相互作用过程中代表性的力-距离曲线;e)葡聚糖-20和硅酸镁锂相互作用过程中代表性的力-时间曲线;f)动力学力谱拟合葡聚糖-20和硅酸镁锂表面的平衡力;g)动力学力谱拟合不同退针速度下葡聚糖-20和硅酸镁锂的结合面积。

3 原子力显微镜单分子力谱测定糖-黏土矿物相互作用

Fig. 3 AFM-based SMFS measurements of the interactions between sugar and laponite

注:图中大写字母表示不同处理间存在极显著性差异(P < 0.01)。

4 不同分子量的糖和硅酸镁锂之间的平衡力和结合面积

Fig. 4 The equilibrium force and the binding area between different molecular-weight sugars and laponite

结论

土壤环境中,糖分子量越大,越有利于与硅酸镁锂结合,形成尺寸更大的微团聚体结构。同时,糖-硅酸镁锂微团聚体形成后增加了微团聚体羟基的含量,对磷的吸附作用会加强,但由于高分子糖会增加微团聚体的粒径,吸附磷的能力随着糖分子量提升反而降低。不同分子量的糖可调控团聚体尺寸和表面基团数量,而微团聚体表面基团尺寸将影响磷的吸附效果,从而调节磷的有效性及动态循环过程。该模式体系下的研究可以反映土壤中糖介导的团聚体形成对磷的吸附结合机制,这将为团聚体作用下的土壤磷素的生物地球化学循环提供科学的理论依据。


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