蛋白质上海设施五线六站用户揭示了土壤中重金属铜与矿物和有机物在微米尺度上的作用机制
时间 : 2017-03-14     

1月22日,《Environmental Pollution》(2017,223:457-465)杂志发表了国家蛋白质科学研究(上海)设施五线六站用户南京农业大学资源与环境科学学院余光辉教授研究小组在土壤重金属污染方面的研究论文。该研究应用同步辐射红外显微成像技术(SR-FTIR)结合微电子探针技术(EPMA)原位揭示了土壤中铜的高度异质性及其在土壤中的络合机制。  

农田管理措施不当导致的重金属累积对生态环境有重大影响,是目前研究的热点。探究关于重金属元素与土壤中有机质和土壤矿物之间的络合及分布特征对于理解重金属的毒性、迁移和科学修复具有重要意义。由南京农业大学余光辉教授领导的研究团队,依据国家肥力网湖南祁阳长期定位施肥试验站(1990年建立)玉米-小麦轮作系统的表层(0-20 cm)土壤样品,重点分析了长期施用无机肥料和有机肥料对土壤中和作物中铜含量的影响。结果发现,虽然长期施用有机肥导致土壤中铜全量和有效性含量显著升高,但是该处理中的小麦秸秆中铜含量仅略有升高;同时,与长期施用化肥相比,长期施用有机肥处理中的小麦秸秆中铜含量反而有所降低。  

为了进一步探究铜元素在土壤中的存在形式及迁移规律,研究者采用SR-FTIR结合EPMA技术在微米尺度上原位观察了长期施用化肥和有机肥红壤中铜元素的分布特征及与不同官能团的络合机制。在BL01B线站工作人员的积极参与和支持下,收集了这两种处理红壤颗粒的微米级红外官能团成像数据,通过不同方法结合同步表征土壤颗粒中络合铜的有效组分。原位表征结果表明,铜、粘土矿物、铝铁氧化物和碳官能团在有机肥处理红壤颗粒中的分布存在高度异质性。该结果为研究长期施用有机肥红壤中与铜起主要络合作用的官能团提供了直接证据,同时也揭示了矿物组分在络合铜过程中的重要作用。该结果进一步被二维相关光谱予以证明。  

该研究为农田土壤重金属污染的修复机制和技术措施提供了理论依据。从农田重金属污染治理的角度来讲,并不是把土壤中的重金属浓度降下来,而是有效阻止土壤中重金属进入作物及食物链。同时,土壤污染程度不能单一依据土壤中的重金属含量来评价,综合评价土壤中重金属含量、作物及农产品中的重金属含量才更合适。而国家蛋白质科学研究(上海)设施五线六站的同步辐射红外显微成像技术(SR-FTIR)则可以用于深入研究影响重金属生物有效性的机制。研究成果对认识土壤中重金属行为和土壤培肥特征提供了科学直接的证据支持,对合理修复土壤和制定土壤修复决策具有重要意义。

   
图注:长期施用有机肥的土壤(M)中矿物和有机官能团在微米尺度与铜的络合特征。

   
图注:土壤中不同官能团之间的线性关系  

 
该课题研究得到了国家自然科学基金委面上项目(41371248)和青蓝工程项目的资助,南京农业大学的博士研究生孙富生是本文的第一作者。土壤中不同官能团的原位分布数据收集于国家蛋白质科学研究(上海)设施红外谱学显微实验站BL01B。  
原文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749116314397  

(上海设施提供)