瑞士苏黎世联邦理工学院Environ. Sci. Technol. | 稻田淹没条件下羟基氧化铁的转化及对吸附态磷酸盐的影响

文摘科学 2024-10-24 09:00 辽宁

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院生物地球化学与污染物动力学研究所Ruben Kretzschmar团队在Environmental Science & Technology上报道题为“Iron Oxyhydroxide Transformation in a Flooded Rice Paddy Field and the Effect of Adsorbed Phosphate”的最新研究成果。

研究内容

该研究揭示了淹水水稻田中铁氢氧化物的转化及其与吸附磷酸盐的相互作用。通过穆斯堡尔谱分析，研究者发现铁的价态在淹水条件下发生显著变化，Fe(II)的比例增加，Fe(III)的比例降低，这主要与缺氧条件下的铁还原过程有关。这种变化对土壤中几个重要矿物相的形成及其稳定性造成了影响，导致不同形式的铁影响了磷酸盐的吸附与解吸行为。研究结果表明，铁的化学行为及相态转变直接影响了磷的生物可利用性，对水稻的生长和产量具有重要意义。此外，研究为改进水稻田的肥料管理策略提供了科学依据，以提升农作物的养分吸收效率，促进可持续农业的发展，对环境保障也具有重要启示。该研究为理解土壤营养循环和生态系统功能提供了丰富的新视角。

本文要点

以下是使用穆斯堡尔谱得到的主要信息：

要点1. 矿物转化：纯^NAFe-Fh-矿物 在无土壤环境下，研究了纯铁氢氧化物（^NAFe-Fh）在浸泡袋中的转化过程。结果显示，在16周的时间里，大约85%的^NAFe-Fh转变成了更加结晶的赤铁矿（goethite）。这一转化过程主要通过穆斯堡尔谱和X射线衍射（XRD）技术进行了确认。穆斯堡尔谱数据显示，^NAFe-Fh中形成了两个不同的六重线谱，与赤铁矿相似的特征表明其结晶性较低。此外，研究认为在封闭的浸泡袋中，微生物催化的铁还原反应有限，主要的铁来源于周围土壤中的Fe(II)，这种扩散促进了电子转移并驱动了^NAFe-Fh的转化。相比之下，更结晶的^NAFe-Lp则显示出较低的转化率，只有12%转化为赤铁矿，说明其对Fe(II)催化下的矿物转化具有较高的稳定性。虽然这项研究中没有观察到磁铁矿的形成，但文献中提到的土壤中矿物填充的浸泡袋实验曾发现过磁铁矿的生成。整体来看，溶解土壤成分对矿物转化的影响较小，主要限于矿物与土壤界面的相互作用。分Fe离子参与到配体的电子转移（ET）过程中。这一电子转移过程会导致部分Fe(II)被氧化为Fe(III)，从而在谱图中观察到第二类Fe物种的特征信号。这一现象表明在自旋交叉之外，MOF中的Fe离子在电荷转移中扮演了重要角色。

要点2. 矿物转化：⁵⁷Fe矿物质与土壤混合采用⁵⁷Fe标记的矿物与土壤混合物来追踪铁矿物的转化过程。结果表明，在16周的田间孵育中，⁵⁷Fe矿物的部分还原溶解导致固态Fe(II)的增加，⁵⁷Fe-Fh和⁵⁷Fe-Lp样品中固态Fe(II)的比例分别达到了43%和26%。与未添加土壤的NAFe矿物相比，这一比例显著提高，表明土壤成分在铁的还原溶解中发挥了重要作用。尽管实验后期大量⁵⁷Fe丢失，但⁵⁷Fe作为赤铁矿的存在仍可解释为⁵⁷Fe(II)与土壤中赤铁矿的交换反应。该研究还发现，⁵⁷Fe-Fh和⁵⁷Fe-Lp的转化为赤铁矿始于孵育的前8周，尽管当时土壤孔隙水中的溶解Fe浓度仍旧较低。大约三分之一的剩余⁵⁷Fe以赤铁矿的形式存在，这表明在实验过程中，铁的变化可能受到微生物还原作用的催化。

小结

本文探讨了在洪涝稻田中铁氢氧化物的转化及其与吸附磷酸盐之间的相互作用。研究集中于氢氧化铁和淋镁石在稻田土壤中的转化过程，采用为期16周的田间培养实验方法。研究者将合成铁矿物以网袋形式部署在土壤中，分为纯矿物和与土壤混合两种情况，并使用⁵⁷Fe追踪技术进行监测。结果显示，在纯矿物环境下，氢氧化铁和淋镁石的还原溶解作用较为有限，而与土壤混合的矿物则超过一半被溶解。氢氧化铁主要转化为菱铁矿，但混合土壤后的转化率明显降低。淋镁石在混合土壤后转化为菱铁矿的比例有所提高。此外，吸附的磷酸盐显著抑制了氢氧化铁的转化过程。研究结果揭示了稻田中复杂的土壤基质对铁矿物转化的显著影响，并强调了在还原性土壤条件下，磷酸盐对铁氧氢化物动态的关键作用。这为理解稻田生态系统中的养分动态提供了重要见解。

参考文献：

Laurel K ThomasArrigo, Katrin Schulz ,et al. Iron Oxyhydroxide Transformation in a Flooded Rice Paddy Field and the Effect of Adsorbed Phosphate. Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 24, 10601–10610

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c01519

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往期回顾：

●Science | 原位穆斯堡尔谱确定MOF活化氧产生的高自旋铁(IV)-氧位点

●Science | 同步辐射穆斯堡尔谱观测奇异金属的临界电荷模式

●纽约州立布法罗大学Nat. Catal. | 穆斯堡尔谱助力打破Fe-N-C氧还原燃料电池催化剂的活性-稳定性平衡

●德国柏林洪堡大学Nat. Chem. | 穆斯堡尔谱在非血红素高自旋铁(II)中心捕获苯氧基

●美国约翰斯·霍普金斯大学JACS | 57Fe穆斯堡尔谱研究硫醇二氧化酶(TDOs)的S-氧化机制

●美国奥本大学JACS | 穆斯堡尔谱研究类异戊二烯生物合成酶的活性位点[4Fe-4S]簇在配体结合和催化过程中氧化还原状态变化

●JACS | 穆斯堡尔谱在室温水溶液中捕获自组装纳米笼中的铁(IV)-超氧中间体