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生物-地质矿化研究团队在磷素的界面行为和物质循环机制中取得系列进展
作者:张怡编辑:黄玮审核:张文君发布时间:2022-10-23

图1. (左)云母(mica)表面ACP成核的原子力图像。HA的加入,成核的ACP显著减少。(右)单分子力谱实验定量表征HA与ACP/mica的相互作用。

图1. (左)云母(mica)表面ACP成核的原子力图像。HA的加入,成核的ACP显著减少。(右)单分子力谱实验定量表征HA与ACP/mica的相互作用。

图2. 海藻糖协同氧化还原抗生素活化磷的化学机制。

图2. 海藻糖协同氧化还原抗生素活化磷的化学机制。

图3. 腐殖酸提高植酸酶活性的微观机制。

图3. 腐殖酸提高植酸酶活性的微观机制。

南湖新闻网讯 (通讯员 张怡)近日,我校生物-地质矿化研究团队针对环境矿物界面上磷素的界面行为和物质循环这一课题开展系统深入的研究,在环境领域著名期刊Environmental Science & Technology, ACS Sustainable Chemistry & Engineering以及Environmental Science: Nano等上发表了系列文章。该研究原位揭示了自然有机物质介导下的无机磷吸附、成核、溶解、相变和有机磷酶解的纳米尺度的界面过程以及单分子尺度的微观机制,从而为实现农业和环境可持续的磷管理提供理论依据。

磷(P)是所有生命体都必需的营养元素,其生物地球化学循环主要在分布在陆地和海洋生态系统。在这些迁移转化过程中,磷的有效性极大地影响着生态系统的初级生产力,特别是农业作物和生态植被的初级生产力。通常,为了提高农业作物产量,农业生产上会投入大量速效磷肥。然而,施入土壤中的速效磷肥易于通过吸附、沉淀等方式固定在矿物表面,或者过多的磷通过地表、地下水径流等方式流失,使得磷肥的当季利用率较低(一般在20%左右)。因此,面对这样一种不可再生的磷矿资源且日益提高的工农业需求,探究磷在环境界面的界面行为和物质循环对于提高磷肥的有效性、控制磷源污染以及潜在的磷资源回收与再利用具有重要的意义。

施入土壤中的速效磷肥能够迅速地与Ca、Fe、Al等金属离子结合形成难溶的磷酸盐沉淀从而被固定了下来,在此过程中,土壤有机质(SOM)以及微生物胞外聚合物中的多糖组分在决定P的生物有效性、长期稳定性方面起着重要作用。然而,由于土壤环境的复杂性,土壤中这些活性组分参与磷酸盐反应的微观机制尚不清楚。基于此科学问题,借助原位原子力显微镜,在土壤环境相关的溶液条件下,首先定量分析了磷酸钙(Ca-P)在云母界面上的成核动力学,结果显示随着腐殖酸(HA)浓度的提高能够显著抑制无定形磷酸钙(ACP,磷酸钙前体相矿物,图1(左)中的白色颗粒)的成核;原位拉曼光谱和高分辨透射电镜观察表明,对于成核的ACP纳米颗粒,HA能够有效稳定该无定形相且延缓其向热力学更稳定的磷酸钙结晶相(DCPD或OCP/HAP)的转变。而土壤中微生物分泌的多糖,如海藻糖也有类似的环境效应,即掺杂低浓度海藻糖的无定形含磷矿物(APM)的相变受到了显著抑制,同时海藻糖聚合度越高对于抑制相变、诱导表面溶解的效果越好。导致以上结果的原因是有机质和海藻糖通过自身的活性基团,如羧基、氨基、磷酸根等与含磷矿物(Ca-P/Fe-P)强烈的相互作用,从而延缓固态转变或者溶解-再沉淀过程,该结果为土壤含量丰富的有机物质对保持磷的长期有效性提供了直接证据。

铁(Fe)作为地壳中丰度第四的元素,因其具有可变价态,从而具有氧化还原活性。本实验的研究目的将聚焦于微生物分泌的具有氧化还原抗生素在还原三价铁的过程中,磷素的界面行为和物质循环。结果显示磷酸铁矿物表面以纳米蚀坑的形式溶解且随着时间溶解深度逐渐加深;在含磷的抗生素溶液体系中,通过还原溶解-再沉淀会形成无定形磷酸亚铁(AmFe(Ⅱ)-P)的生成。当体系中添加海藻糖后,能够参与抗生素诱导的还原反应,协同加速溶解磷酸铁,从而释放更多的磷(图2)。研究还进一步探究了赤铁矿不同晶面对于无机磷吸附的依赖关系,以及相比较于赤铁矿,生物多肽对磷的更高的吸附活性和吸附特异性。

研究除了探讨了无机磷的界面过程和物质循环,还深入剖析了有机磷的生物地球化循环过程。结果表明:腐殖酸浓度的提高,可以不同程度地增强植酸酶分解植酸的活性;其中,有机界面诱导的无机磷成核要显著地高于无机云母界面上的成核。PF-QNM定量表征的植酸酶-腐殖酸-成核界面三者之间的相互作用确定了植酸酶活性的提高是基于植酸酶和腐殖酸之间更强烈的非共价相互结合实现的。最后,通过拉曼光谱以及单分子力谱的植酸酶二级构象的解析发现,二者非共价结合后,能够促进植酸酶活性域中肽键之间氢键的形成,从而增强其二级构象,进而提高活性域和有机磷的亲和力,加速酶解(图3)。

研究团队通过系列研究原位揭示了磷的吸附、溶解、沉淀、相变以及酶解等纳米尺度的环境界面行为,为重新认识磷素的生物地球化学循环过程提供了新观察、新见解。系列论文第一作者为博士研究生葛新飞,通讯作者为王荔军教授和张文君副教授。

上述研究得到国家自然科学基金,国家重点研发计划和校自主科技创新基金的支持。

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