【他山之石】阴永光研究员团队:火诱导的泥炭土壤有机质电子传递能力的多重变化——官能团、石墨碳和铁的作用

学术   2024-12-25 18:04   北京  

第一作者:杨佩杰

通讯作者:刘艳伟 助理研究员、阴永光 研究员

通讯单位:国科大杭州高等研究院、中国科学院生态环境研究中心

论文DOI: 10.1021/acs.est.4c06586

图文摘要

成果简介

近日,中国科学院生态环境研究中心、国科大杭州高等研究院阴永光研究员团队在Environmental Science & Technology上发表了题为“Fire-Induced Multiple Changes in Electron Transfer Properties of Peat Soil Organic Matter: The Role of Functional Groups, Graphitic Carbon, and Iron”的研究论文(DOI: 10.1021/acs.est.4c06586)。该研究探究了火灾诱导的泥炭土壤有机质(PSOM)电子传递能力的多重变化,评估了火灾后官能团、石墨碳及铁在电子传递中的作用,并进一步探讨了电子传递能力的变化对微生物铁还原及甲烷(CH4)生成的影响,为火灾后泥炭地的生物地球化学循环及温室气体排放机制提供了新见解
全文速览
本研究通过模拟泥炭燃烧(150-500℃),揭示了PSOM温度依赖的电子交换容量(EEC)动态变化,这极大地改变了火灾后微生物铁还原和CH4生成。无论氧气是否参与,随着温度的升高,酚-醌基团的损耗导致EEC显著减少(损失60-75%)。有氧燃烧条件下,由于氧气可与PSOM反应形成额外的醌,其最终的EEC超过了缺氧燃烧的1.5倍。值得注意的是,EEC的耐热性高达200℃,且在350℃以上保持稳定。此外,火灾重塑了EEC相关的氧化还原活性基团。燃烧产生的杂环N与醌类基团共同贡献了受电子能力(EAC),而受电子能力(EDC)则由酚类和结合的Fe(II)贡献。然而,杂环NFe(II)的优先结合限制了Fe(II)EDC。有趣的是,EAC的降低削弱了其在微生物铁还原中的电子穿梭效应,但火诱导石墨碳的形成增强了PSOM的导电能力(EC),增强了电子转移,可能促进火灾后泥炭地的甲烷生成。这些发现增强了我们对火灾后泥炭地元素生物地球化学循环和温室气体排放机制的认识。
引言
泥炭地以土壤有机质形式累积了1/3的全球土壤碳。这些丰富的PSOM具有强的电子传递能力,可通过调节微生物呼吸的电子受体有效性,在泥炭地甲烷排放及铁循环等众多生物地球化学过程中发挥重要作用。然而,全球气温升高和干旱趋势加剧,导致全球8%的泥炭地受到野火侵袭,其火灾面积高达全球野火总面积的近一半。这些增加的火灾显著改变了PSOM的结构组成,可能改变其电子交换能力,进而影响火后泥炭地的生物地球化学过程。目前,火灾诱导的PSOM电子传递特性和相关电活性结构的变化尚不明确,阻碍了对火灾后生物地球化学过程的理解。针对该科学问题,本研究通过模拟泥炭土壤燃烧,探究了不同火灾温度下PSOM的电子传递能力的动态变化,通过组分分析评估了官能团、石墨碳及铁在电子传递中的作用,并进一步探究了这些变化在微生物铁循环及甲烷生成中的作用
图文导读

PSOM燃烧导致其EEC降低,EC增强

Figure 1. (A, B) Change in electron-donating capacity (EDC), electron-accepting capacity (EAC), and electron exchange capacity (EEC) with burning temperature. (C) Change in electrical conductivity with burning temperature. A-pyPSOM and N-pyPSOM represent oxic and anoxic burnt samples, respectively. PPS represents unburnt PSOM and N150-N450 represents anoxic burnt samples at 150‒450. TT1 and TT2 represent the temperatures at which EEC begins to lose and stabilize again, respectively.

通过模拟泥炭土壤燃烧,发现燃烧显著改变了PSOM的电子传递特性。250℃内燃烧,PSOM的电子传递特性主要由EEC贡献,但随着温度升高,EEC降低,EC增强,电子传递特性由EECEC共同驱动。EEC具一定的有热抗性,使其在200℃(TT1)可保持稳定。但随温度的进一步升高,EEC迅速降低,在350℃(TT2)后,再次保持稳定。值得注意的是,氧气可显著影响燃烧过程中EEC的演变。TT2后,有氧燃烧的PSOMA-pyPSOMEEC是缺氧燃烧(N-pyPSOMEEC1.5倍。这一差异由有氧燃烧过程中氧气向PSOM中并入形成更多醌导致

火后PSOM的电子传递活性由官能团及石墨碳共同驱动

Figure 2. (A) Correlation between electron-accepting capacity (EACMER) and electron-accepting moieties (assigned as EACNa2S2O4). (B) Correlation between electron-donating capacities (EDC) and electron-donating moieties (i.e., total phenols). (C) Correlation between aromaticity index (AI) and electrical conductivity. (D) Change in EAC with ID/G (the intensity ratio of D bond and G bond in Raman spectrum). A-pyPSOM and N-pyPSOM represent oxic and anoxic burnt samples, respectively.

通过测定供/受电子基团发现,火灾后PSOMEAC主要由醌和杂环N(如吡啶N)贡献;在低电位下(EH= +0.61 V),EDC与总酚含量呈强相关,说明该条件下,EDC主要由酚类基团贡献。此外,250℃后,PSOM的芳香性(AI)与其EC显著相关,提示稠环结构的形成促进了其EC,进一步通过拉曼光谱表征发现,火灾过程促进了石墨碳的形成,且ID/GEAC显著正相关,进一步表明了火灾后的电子传递能力由石墨碳和官能团共同驱动

Fe(II)可贡献大量的EDC,但燃烧过程中形成的杂环氮可抑制其活性

Figure 3. (A) Changes in electron-donating capacity (EDC) with EH and pH conditions. (B) Effect of the ligand on the EDC of Fe3O4nanoparticles at EH = +0.61 V and +0.73 V, respectively. (C, D) Correlation of difference value between EDCEH =+0.73 V, pH 7.0 and EDCEH =+0.73 V, pH 9.0 (ΔEDC) and Fe(II) content. Gray numbers represent the contribution of Fe(II) to EDC at +0.61 V, which was obtained by calculating the ratio of [ΔEDC −Fe(II)] to EDCEH = 0.61 V, pH 7. When phenols are the main eletron-donating capacity, EDCE= +0.73 V, pH 7.0 ≈ EDCEH = +0.61 V, pH 9.0. A-yPSOM and N-pyPSOM represent oxic and anoxic burning samples.

Fe(II)PSOM中主要的铁物种,可贡献大量的EDC。高电位下(EH= +0.73 V),EDC与总酚含量相关性较差,推测高电位下,EDC主要由酚和Fe(II)共同驱动。基于EDCpH-EH相关分析及小分子模型进一步评估,发现200℃内,Fe(II)可在低电位下(EH= +0.61 V)贡献EDC,温度进一步升高,由于杂环NFe(II)结合,其EDC受到抑制,仅能在高电位下贡献EDC

PSOM燃烧减缓了微生物铁还原及甲烷生成,但增强的EC可能在火后的生物地球化学过程中发挥重要作用

Figure 4. Effect of peat burning on PSOM-mediated microbial FeNPs reduction and methanogenesis. (A) Change in reduction extent of Fe(III) in the presence of oxic burnt samples (0.1 mg mL-1). (B) Correlation between electron-accepting capacity (EAC) and reduction rate (0-3 h) of Fe(III). (C) Change in CH4 production in the presence of PPS (unburnt PSOM, 1 g L-1), N500 (anoxic burnt PSOM at 500, 1 g L-1), and quinone model (AQDS, 1 mM) in the pure-cultural and co-cultural systems. The α-Fe2O3 and acetate concentrations were 1 and 30 mM, respectively. G. sulfurreducens PCA: GS; Methanosarcina barkeri: MB. The inoculum concentration is 5% both of GS and MB.  The vv1, and v2 are CH4production rates.

PSOM可通过电子穿梭作用增强微生物铁还原速率,燃烧显著削弱了PSOM在微生物铁还原中的电子穿梭作用(还原速率降低)。通过相关性分析发现,这一电子穿梭作用主要由EAC驱动。值得注意的是,低温PSOM添加组(A250)中铁还原达到平衡后,高温PSOM添加组(A500)中铁还原仍继续进行,提示了高温燃烧后随着官能团的消耗,增强的EC可继续提供电子穿梭作用,增强铁还原,进一步证实了火灾后PSOM的电子传递特性由EECEC共同驱动。此外,火诱导的PSOM电子传递能力的变化也削弱了CH4生成速率。燃烧后,由于EAC的降低,CH4生成速率由94.99 ± 1.71 µmol d-1降低至12.75 ± 1.22 µmol d-1 ,但在受电子基团消耗完后,由于EC增强,CH4生成速率再次增加至74.91 ± 3.01 µmol d-1

小结

这项工作揭示了PSOM的电子传递特性随火灾温度的动态变化,强调了官能团及石墨碳在火灾后电子传递中的重要作用,进一步增强了对火灾后泥炭生物地球化学过程的理解。燃烧通过消耗醌酚基团导致EEC损失,但通过形成石墨碳结构增强其EC。燃烧重塑了贡献EEC的活性官能团组分。燃烧后EAC主要由醌和杂环氮驱动,EDC则由酚类基团和结合的Fe(II)贡献,但由与Fe(II)与杂环氮的高亲和力,其活性在火后受到抑制。重要的是,火灾诱导的EAC降低削弱了PSOM的电子穿梭效应,EC的增强可能在火后泥炭地CH4生成中发挥重要作用。该工作为探究火后泥炭地CH4排放机制提供了新思路。

作者介绍

杨佩杰:现为国科大杭州高等研究院博士后。主要研究方向为天然有机质分子转化及电子传递,主持国家自然科学基金青年项目,在Environmental Science & Technology等国内外期刊发表学术论文10余篇
刘艳伟:助理研究员,任职于中国科学院生态环境研究中心。主要研究方向为环境污染物的生物累积与转化,主持国家自然科学基金青年和面上项目,在国内外期刊发表学术论文40余篇
阴永光研究员,任职于中国科学院生态环境研究中心和国科大杭州高等研究院。主要研究方向为有毒金属的形态分析与环境转化,获国家自然科学基金委杰出青年基金等项目资助,获中国分析测试协会科技奖一等奖(排名第一)、中国化学会青年环境化学奖、北京市科学技术奖二等奖、贵州省自然科学一等奖等。以第一作者或者通讯作者身份在Nature FoodPNASNature CommunicationACS NanoChemical ReviewsEnvironmental Science & Technology等期刊发表SCI论文100余篇。

参考文献:

Peijie Yang, Shuai Wang, Tianran Sun, Tao Jiang, Yifan Cui, Guangliang Liu, Yingying Guo, Yanwei Liu, Ligang Hu, Jianbo Shi, Qinghua Zhang, Yongguang Yin, Yong Cai, Guibin Jiang, Fire-Induced Multiple Changes in Electron Transfer Properties of Peat Soil Organic Matter: The Role of Functional Groups, Graphitic Carbon, and Iron, Environ. Sci. Technol. 2024, DOI: 10.1021/acs.est.4c06586

文章链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c06586



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