Moustafa M. R. Khalaf Gabriela Chilom James A. Rice 著 張水勤 袁 亮 譯

(1 美國南達(dá)科塔州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系 布魯金斯 SD57007

2 埃及米尼亞大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 米尼亞 61519

3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北京 100081)

天然的有機(jī)質(zhì)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫；土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)是生物碳庫的4倍之大。SOM礦化向大氣中排放的CO2比人為活動(dòng)的排放量高一個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得人們對(duì)SOM持久性的研究興趣增加，并使通過土壤碳循環(huán)模型預(yù)測(cè)土壤及地表環(huán)境中SOM持久性方面的研究得到了長足的發(fā)展；而目前對(duì)調(diào)控SOM持久性分子過程的理解水平卻限制了這些模型預(yù)測(cè)SOM對(duì)環(huán)境變化的長期響應(yīng)能力。這些模型大部分通過用至少3個(gè)碳庫來描述SOM參與碳循環(huán)的過程，這些碳庫由生物學(xué)穩(wěn)定性(不穩(wěn)定、穩(wěn)定、難熔和惰性)、分解速率(快速、中速和慢速)和周轉(zhuǎn)時(shí)間(短、長、很長)定義。以上模型基于有機(jī)組分抗分解的主要原因是其化學(xué)結(jié)構(gòu)的抗性作用機(jī)制。最近的研究挑戰(zhàn)了抗性的概念且引入了一個(gè)新的基本概念來解釋有機(jī)質(zhì)存在的持久性，這種新興的觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了僅有分子結(jié)構(gòu)不能解釋SOM的持久性，還需要考慮有機(jī)質(zhì)與環(huán)境之間的交互作用。

最新的SOM分子集合模型也是基礎(chǔ)概念的一部分，其強(qiáng)調(diào)了有機(jī)質(zhì)組分之間及其與礦物質(zhì)的交互作用，而非這些組分的自身化學(xué)組成特性。Wershaw(1994)認(rèn)為SOM是“膜模型”中以溶液中的微團(tuán)形式、土壤和沉積物中的包裹礦物顆粒雙層膜形式存在的有序集；Piccolo(2001)提出了“超分子”模型，認(rèn)為SOM是因分子間作用力和多分子間復(fù)雜性而異的較小分子聚集的超分子集合構(gòu)造；Kleber等(2007)引入了“帶狀模型”，即SOM是多種以離散序列吸附在礦物表面的兩性分子構(gòu)成的混合物；Chilom和Rice(2009)認(rèn)為SOM具有自然分層自組裝或自組織的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中各組分通過范德華力、氫鍵和疏水性等相互作用，以及以非共價(jià)或弱的交互作用有序排列。通過改變各組分之間交互作用的環(huán)境條件能夠影響自組裝過程。自組裝和非自組裝腐植酸熱容量之間的比較，能夠?yàn)镾OM的自身組成提供直接依據(jù)。

組裝材料的特性差異和其不同于原材料的行為能力是自組裝的特征之一。比如，Sa lloum(2001)等對(duì)天然有機(jī)質(zhì)樣品進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)碳1-萘酚的吸附系數(shù)(K0C)不同于其原材料。在SOM組織狀態(tài)和微生物降解持久性方面數(shù)據(jù)的缺乏可能是決定環(huán)境中有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

本研究的目的是通過區(qū)分有機(jī)質(zhì)化學(xué)成分中組織的影響，定量評(píng)估有機(jī)質(zhì)自組裝對(duì)其微生物礦化作用的影響。文中進(jìn)行了以下比較：(1) 樣品的礦化是在同一原材料下，具有相同化學(xué)成分的樣品進(jìn)行物理混合來確定對(duì)自組裝的影響；(2) 以化學(xué)成分和自組裝作為變量影響礦化的相對(duì)重要性。該方法為有機(jī)質(zhì)的組成狀況如何影響SOM的穩(wěn)定性和如何運(yùn)用以上影響增加有機(jī)質(zhì)在土壤中的殘留時(shí)間提供參考。

1 材料與方法

1.1 有機(jī)質(zhì)樣品

本研究中所使用的原材料分別為：國際腐殖質(zhì)學(xué)會(huì)提供的風(fēng)化褐煤(LEO)和Pah ok ee泥炭(PP)，采自美國科羅拉多中部的一種被歸類為Cr y oh emist的泥炭土，一種被歸類為細(xì)粉質(zhì)的混合了Udic Haploborolls的礦質(zhì)土。后兩種土壤分別代表了Guanella Pass泥炭(GP)和Poinsett粉壤土(PS)。以上材料提取的腐植酸化學(xué)成分變化較大,如風(fēng)化褐煤的核磁共振(NMR)光譜結(jié)果表明，其腐植酸中幾乎僅包含芳香族和脂肪族碳成分，而Poinsett粉壤土的腐植酸具有典型的腐植酸碳類型分布，這也是選取其作為研究材料的原因。

通過傳統(tǒng)的堿提取方法從以上材料中提取自組裝有機(jī)質(zhì)。未進(jìn)一步處理的原始腐植酸樣品為HA0。根據(jù)Ch iolom等(2009)的提取步驟，按索氏提取法，用苯∶甲醇共沸混合物(3∶1，v∶v)保持72 h，提取出組分L0；移除L0，從H A0提取出的組分為H A1。之后用堿浸提L0組分，進(jìn)一步分離，獲得兩性組分HA2和脂質(zhì)組分L1。具體分級(jí)見圖1。

圖1 從原材料中分離腐植酸(HA0)及其組分(HA1，L0，HA2，L1)的步驟示意圖Fig.1 Schematic diagram of the procedure to isolate humic acid (HA0) and its fractions (HA1, L 0, HA2, L 1)from source materials

每個(gè)樣品的碳質(zhì)量平衡，計(jì)算初始物料中每種組分的豐度。根據(jù)碳質(zhì)量平衡，按嚴(yán)格的比例，混合各自最初狀態(tài)下的組分，從而分別得到H A0和L0的物理混合物。第1種混合物為與H A0相對(duì)應(yīng)的H A0/3，是H A1、H A2和L1的混合物；第2種混合物為與L0相對(duì)應(yīng)的L0/2，是HA1和L1的混合物。

運(yùn)用日本島津公司總有機(jī)碳分析儀測(cè)定所有樣品中有機(jī)碳含量。該儀器的工作原理是：自由CO2氣流作用下，有機(jī)質(zhì)催化氧化，通過紅外吸附測(cè)定CO2的量，得到樣品中有機(jī)碳含量。

1.2 礦化試驗(yàn)

營養(yǎng)液組成及配制方法如下：3 g NaNO3、1 g KH2PO4、0.5 g MgSO4·7H2O和0.01 g FeSO4溶于1 L無菌去離子水。按照先前步驟中所描述，以有機(jī)質(zhì)樣品充當(dāng)該試驗(yàn)的唯一碳源，即將70～100 mg干有機(jī)質(zhì)樣品添加至裝有100 m L營養(yǎng)液的250 m L耐熱玻璃瓶中。向該溶液中添加0.1 M NaOH使該溶液最終p H為7.5。玻璃瓶旋蓋用硅/聚四氟乙烯材質(zhì)，氣體進(jìn)出口用聚四氟乙烯管填充。每天通過進(jìn)口管向玻璃瓶通入CO2自由氣體15 min，而此時(shí)出口管保持打開狀態(tài)以維持培養(yǎng)試驗(yàn)期間的有氧環(huán)境。其他時(shí)間，通過2個(gè)閥門的關(guān)閉系統(tǒng)。

從新鮮的Poinsett粉壤土土樣中獲得菌劑，4 ℃保存，備用。土壤樣品中加100 m L無菌去離子水制成懸液，往復(fù)式振蕩機(jī)劇烈過夜振蕩。該懸浮液用微量的葡萄糖(0.5 g/L)濃縮，置于暗處，37 ℃條件下保存24 h。用一次性的無菌注射器分取該懸浮液0.5 m L，通過硅/聚四氟乙烯管分別加入每個(gè)含有SOM和營養(yǎng)液的玻璃瓶中。每個(gè)有機(jī)質(zhì)樣品和對(duì)照(僅有營養(yǎng)液和SOM溶液)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，將其置于回旋式振蕩器上(暗處、室溫條件下)振蕩125天。通過燒瓶封口片用無菌注射器定期從瓶中移出少量的培養(yǎng)液以測(cè)定p H，保證試驗(yàn)處于恒定的環(huán)境；同時(shí)，運(yùn)用連續(xù)的稀釋和Czapek-Dox瓊脂板固定檢測(cè)細(xì)菌的生長狀況。

培養(yǎng)后期，3個(gè)重復(fù)的溶液合成1個(gè)，并用H Cl酸化。將上述溶液離心過濾以分離出沉淀中的有機(jī)質(zhì)，45 ℃下真空電爐干燥后，研成粉末，稱重并測(cè)定其有機(jī)碳含量。通過計(jì)算有機(jī)碳初始量和培養(yǎng)后量的差別，得出礦化量，以初始有機(jī)碳含量的百分?jǐn)?shù)表示。根據(jù)初步短期礦化試驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)化褐煤和Guanella泥炭的標(biāo)準(zhǔn)偏差低于10%。由于以上樣品不進(jìn)行其他的分析，因此，分別對(duì)每個(gè)樣品短期礦化試驗(yàn)碳含量進(jìn)行了3次測(cè)定。

1.3 13C固態(tài)核磁共振光譜

主要碳組分的相對(duì)豐度用13C固態(tài)核磁共振光譜檢測(cè)，從而了解培養(yǎng)前后有機(jī)質(zhì)樣品的化學(xué)構(gòu)造。檢測(cè)儀器為布魯克公司生產(chǎn)的A v an ce 300光譜儀，在頻率為75 MH z和高速旋轉(zhuǎn)(13 k H z)條件下，與通過CP/T1振蕩試驗(yàn)中獲得的T1C修正相結(jié)合，用直接偏振魔角旋轉(zhuǎn)(DPMAS)記錄13C核磁共振光譜結(jié)果。有機(jī)質(zhì)樣品直接決定了DPMAS的循環(huán)延遲時(shí)間，在3～6 s之間。將樣品塞入帶有聚三氟氯化乙烯蓋子、直徑為4 mm的氧化鋯轉(zhuǎn)子里，如果樣品量有限，可向轉(zhuǎn)子中加入鋁土等惰性材料以確保樣品位于探測(cè)器線圈之內(nèi)。通過以下化學(xué)位移區(qū)域整合13C核磁共振光譜以確定碳組分含量：0～50 ppm，烷基碳；50～108 pp m，氧烷基碳；108～160 ppm，芳香碳；160～212 ppm，羧基/羰基碳(運(yùn)用軟件擴(kuò)充光譜儀操作系統(tǒng))。有機(jī)質(zhì)的疏水性指數(shù)以(烷基碳+芳香碳)與(烷氧基碳+羧基碳)的比率計(jì)算。

1.4 差示掃描量熱法

用裝有LT C-50低溫冷卻組件的日本島津公司DSC-50差示掃描量熱儀開展差示掃描量熱法試驗(yàn)，用銦和鋅標(biāo)準(zhǔn)物的熔解溫度和人造藍(lán)寶石(NISST SRM 720)熱容量校準(zhǔn)儀器。通過連續(xù)3次測(cè)定結(jié)果得到樣品的熱容量，第1次測(cè)量池為空，第2次用參考材料(人造藍(lán)寶石)充滿，第3次用需要檢測(cè)的樣品充滿，整個(gè)測(cè)定過程參比池均為空。每個(gè)試驗(yàn)從測(cè)定開始到最終結(jié)束，均以5 ℃/min加熱速度，將溫度從10 ℃升至70 ℃，且保持等溫時(shí)間5 min。為確保痕量水分或有機(jī)溶劑的移除，所有樣品均置于60 ℃真空電爐中保存24 h，稱重，預(yù)熱(以20 ℃/min速度將溫度從室溫升到100 ℃，保持30 min)。所有試驗(yàn)均用未封口標(biāo)準(zhǔn)鋁池。

2 結(jié)果

2.1 有機(jī)質(zhì)樣品的組成

每個(gè)H A0及其組分的13C DPMA S固態(tài)核磁共振光譜如圖2所示。在烷基(0～50 p p m)、氧烷基(50～108 ppm)、芳香族(110～160 ppm)和羧基/羰基(160～220 ppm)的光譜區(qū)域均出現(xiàn)了寬且明顯的碳峰。烷基區(qū)域的面積受29 p p m處的峰所控制，表明長鏈聚亞甲基結(jié)構(gòu)的存在。此外，在15 p p m和20 p p m處還出現(xiàn)了其他雙峰，這是由于短鏈碳?xì)浠衔锖烷L鏈烷類聚合物的末端碳原子存在。在氧烷基區(qū)域72 p p m處出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，表明了糖類、纖維素、乙醇和(或)醚的存在；50～60 ppm處是甲氧基、次甲基和季碳的特征峰；肩峰的存在通常歸因于陸生材料中木質(zhì)素的存在。芳香碳共振區(qū)域主要受129 ppm處峰值的影響，該峰值的出現(xiàn)表明未被取代的和被烷基取代的芳香碳的存在。145～162 p p m化學(xué)位移處的共振說明了酚碳的存在。羧基碳區(qū)域的主要峰值位于172 ppm處，表明了羧基、酯和氨基化合物碳的存在。

圖2 腐植酸(HA0)及其組分(HA1，L0，HA2，L1)的13C DPMAS固態(tài)核磁共振光譜Fig.2 13C DPMAS solid state NMR spectra of samples of humic acid (HA0) and its fractions (HA1, L 0, HA2, L 1) derived from Guanella peat (a), Poinsett soil (b), Pahokee peat (c) and leonardite (d)

原始腐植酸樣品(H A0)中，不同的碳類型分布規(guī)律揭示了樣品之間的相似與獨(dú)特之處。風(fēng)化褐煤、Pahokee泥炭、Poinsett土壤和Guanella泥炭4種原始H A0樣品除風(fēng)化褐煤外，其他3種樣品中的羧基/羰基碳相對(duì)含量相似。該4種樣品的氧烷基碳相對(duì)含量的規(guī)律與羧基/羰基碳相對(duì)含量的規(guī)律一致。Guan ella泥炭H A0樣品中的烷基碳含量最高，數(shù)值達(dá)41%；而其他3種H A0樣品中烷基碳含量相似，數(shù)值在15%～20%的范圍之內(nèi)。風(fēng)化褐煤H A0樣品中芳香碳含量最高，數(shù)值達(dá)56%；而Pahok ee泥炭、Poinsett土壤和Guanella泥炭3種H A0樣品中芳香族碳的含量依次降低，分別為43%、34%和19%。

以有機(jī)溶劑和水為浸提劑，浸提得到來源于風(fēng)化褐煤、Pah ok ee泥炭、Poin set t土壤和Gu an ella泥炭4種材料的H A0中不同碳類型的分布，如表1所示。有機(jī)溶劑可浸提出以有機(jī)酸脂質(zhì)混合物L(fēng)0形態(tài)存在的碳，該碳的百分比的范圍在16%～30%之間。該浸提過程提取了約一半的烷基碳和三分之一的其他類型碳。因此，H A1的烷基碳相對(duì)含量有所減少，但芳香碳的相對(duì)含量則高于原始H A0樣品。4種材料中H A1組分與H A0樣品的芳香性具有的變化趨勢(shì)相一致。用水浸提L0混合物能夠從兩性的腐植酸組分中分離出脂質(zhì)組分。該脂質(zhì)組分含有特定的烷基碳(其主要光譜位于烷基峰處)，而H A2組分的光譜結(jié)果則表征了烷基、烷氧基和羥基/羧基碳的存在，且H A2組分中烷基碳的相對(duì)含量高于原始腐植酸樣品中烷基碳的相對(duì)含量。

風(fēng)化褐煤、Pah ok ee泥炭、Poin sett土壤和Guanella泥炭的4種材料的自組裝樣品(HA0和L0)及其相應(yīng)物理混合物(H A0/3和L0/2)的相對(duì)碳類型分布，如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，自組裝樣品(H A0和L0)及其相應(yīng)的物理混合物(H A0/3和L0/2)的試驗(yàn)誤差完全一致；它們化學(xué)成分相似，表明提取過程中其化學(xué)成分沒有發(fā)生大的變化，因此有機(jī)質(zhì)的化學(xué)改性使微生物降解行為出現(xiàn)差異的可能性極小。

表1 不同來源的腐植酸樣品中有機(jī)質(zhì)組分a分布百分比*Tab.1 Percent distribution of organic matter fractionsa obtained from humic acid samples originating from different source materials

表2 從13C DPMAS核磁共振光譜計(jì)算得到的自組裝樣品及其相應(yīng)物理混合物的相對(duì)碳類型分布aTab.2 Relative carbon-type distributionsa of self-assembled samples and their corresponding physical mixtures calculated from 13C DPMAS NMR spectra

2.2 有機(jī)質(zhì)樣品的自組裝

由于材料的比熱容與其結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，因此，在先前的研究中，我們提出可運(yùn)用比熱容來獲取復(fù)雜的可溶性有機(jī)碳中的結(jié)構(gòu)信息。經(jīng)過原始自組裝腐植酸(HA0，L0)及其對(duì)應(yīng)物理混合物(HA0/3，L0/2)比熱容的比較測(cè)定結(jié)果表明，腐植酸有連續(xù)2個(gè)組織結(jié)構(gòu)。L0是第1層次，其是兩性分子H A2和類脂L1交互作用合成的材料。H A0是第2層次，其是L0和H A1交互作用的結(jié)果。第1層次的特征是比熱容增加，而第2層次的熱容量則降低(表3)。熱容量的減少被普遍認(rèn)為是分子間相互作用的增加或交聯(lián)，從而使結(jié)構(gòu)更加緊實(shí)、柔韌度變差。Larson等(1997)認(rèn)為，低品位煤暴露在溶脹溶劑中形成一個(gè)高度相關(guān)的結(jié)構(gòu)，其熱容量增加。與相對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展部分(即體積)相比，納米晶體材料表面能部分對(duì)系統(tǒng)整體能量貢獻(xiàn)更大，因此，其被觀察到熱容量增加。Chilom和Rice(2009)認(rèn)為第一有機(jī)質(zhì)組織層次(L0的產(chǎn)物)熱能量的增加是由于納米級(jí)結(jié)構(gòu)L0的形成，因此，L0和H A0的樣品測(cè)定結(jié)果均支持自組裝結(jié)構(gòu)的形成和比熱容的變化。與HA0樣品相比，L0樣品的比熱容變化更大，綜上表明這些樣品結(jié)構(gòu)組成更為廣泛。

表3 20～50 ℃范圍內(nèi)自組裝樣品及其相應(yīng)混合物平均比熱容的差異Tab.3 Differences in the specifi c heat capacities (C P) of the self-assembled samples and their corresponding mixtures averaged for the temperature interval of 20～50 ℃

2.3 樣品的礦化

溶解性有機(jī)質(zhì)樣品作為單一碳源培養(yǎng)125天后，其被土壤微生物礦化的程度存在差異，試驗(yàn)測(cè)得的礦化值恰好在關(guān)于土壤腐植酸微生物降解研究測(cè)得值的范圍內(nèi)。

4種材料HA0樣品的礦化顯出較大變化(圖3)。Guanella泥炭的HA0樣品碳礦化率最高，為43%；隨后是Poin sett土壤、Pah ok ee泥炭和風(fēng)化褐煤的，分別為28%、18%和6%。

圖3 從Guanella泥炭(GP)，Poinsett土壤(PS)，Pahokee泥炭(PP)和風(fēng)化褐煤(LE0)分離出的腐植酸(HA0)樣品的礦化率Fig.3 Mineralization of humic acid (HA 0) samples isolated from Guanella peat (GP), Poinsett soil (PS),Pahokee peat (PP) and leonardite (LEO)

各組分比較結(jié)果(圖4)表明，所有材料中L0的礦化程度最高，占總有機(jī)碳的35%～43%。兩性腐植酸組分H A2和脂質(zhì)組分L1的礦化程度分別為20%～44%和13%～30%。微生物似乎對(duì)每種材料中H A1組分的利用最少，整個(gè)試驗(yàn)中該組分僅有4%～26%發(fā)生了礦化。

圖4 分離出的各腐植酸組分(HA1，L0，HA2和L1)的礦化率Fig.4 Mineralization of humic acid fractions (HA 1, L 0, HA 2,and L 1) isolated from Guanella peat (a), Poinsett soil (b),Pahokee peat (c) and leonardite (d)

研究中L0礦化程度大多高于其相應(yīng)的物理混合物(L0/2)(圖5a)。H A0的連續(xù)礦化模式高于物理混合物H A0/3(圖5b)，盡管4個(gè)樣品中有3個(gè)的差異均未達(dá)到顯著水平(P=0.05)。物理混合物L(fēng)0/2和HA0/3的礦化行為與其各組分礦化總量相等。

圖5 從Guanella泥炭(GP)，Poinsett土壤(PS)，Pahokee泥炭(PP)和風(fēng)化褐煤(LEO)分離出的自組裝樣品及其相應(yīng)物理混合物的礦化率Fig.5 Mineralization of self-assembled samples and their corresponding physical mixtures, L 0 vs L 0/2 (a); HA 0 vs HA0/3 (b) isolated from Guanella peat (GP), Poinsett soil(PS), Pahokee peat (PP) and leonardite (LEO)

2.4 生物降解下有機(jī)質(zhì)樣品化學(xué)組成的變化

用13C固態(tài)核磁共振光譜對(duì)培養(yǎng)125天后的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行表征，并與培養(yǎng)前的樣品進(jìn)行比較，評(píng)估每個(gè)樣品化學(xué)組成的變化。計(jì)算每個(gè)樣品培養(yǎng)前后相對(duì)的碳類型分布作為每個(gè)峰區(qū)所占面積與光譜分析總面積的比例，這一比例和總有機(jī)碳被用于后面計(jì)算培養(yǎng)前后樣品中碳類型的絕對(duì)量。培養(yǎng)前后從Guanella泥炭、Poinsett土壤、Pahok ee泥炭、風(fēng)化褐煤4種材料中分離出的自組裝樣品(H A0，L0)、物理混合物(H A0/3，L0/2)及組分(HA1，HA2，L1)的碳類型分布見圖6。

礦化后，H A0樣品中烷基碳和氧烷基碳減少。從Guanella泥炭、Poinsett土壤、Pah ok ee泥炭提取的H A0樣品中烷基碳和氧烷基碳減少50%～60%，而從風(fēng)化褐煤提取的H A0中約減少20%。培養(yǎng)125天后，H A0樣品中未發(fā)現(xiàn)芳香碳和羧基碳的變化。

培養(yǎng)前后的4種材料組分中烷基碳和氧烷基碳也表現(xiàn)出了明顯且一致性的降低趨勢(shì)。大多數(shù)H A1組分未觀察到其余碳類型的其他變化。L0中各類型碳均有所降低，包括芳香碳和羧基碳，其中，L0中有1/3的芳香碳和平均40%的羧基碳均被礦化。H A2組分中烷基碳和氧烷基碳降低，4個(gè)樣品中的芳香碳均降低，而H A2的羧基碳未發(fā)現(xiàn)變化。L1組分的烷基碳降低，而羧基碳有輕微增加趨勢(shì)。

培養(yǎng)125天后，L0與物理混合物L(fēng)0/2的碳類型分布不完全相同。其中，物理混合物L(fēng)0/2的烷基碳和氧烷基碳均降低，大部分物理混合物L(fēng)0/2的芳香碳沒有發(fā)生變化，且羧基碳呈現(xiàn)出不明顯的降低。物理混合物H A0/3的碳類型分布狀況與HA0樣品相同。

試驗(yàn)開始時(shí)樣品有機(jī)質(zhì)和培養(yǎng)125天后樣品剩余有機(jī)質(zhì)存在差別，可能是由于存在優(yōu)先礦化和(或)生物量的形成兩種過程，而已使用的分析不能區(qū)分出具體為哪種過程。由于核磁共振光譜中沒有出現(xiàn)新的特征峰，培養(yǎng)后的樣品有機(jī)質(zhì)中未檢測(cè)到羧基/氨基碳類型(例如核磁共振光譜中160～220 p p m)的增加，因此，我們推測(cè)優(yōu)先礦化是主要過程。在Qi等(2004)的試驗(yàn)研究中也證實(shí)了在垃圾堆肥時(shí)，用微生物菌群降解腐植酸，優(yōu)先礦化的是烷基碳。

圖6 培養(yǎng)前后從Guanella泥炭(a)、Poinsett土壤(b)、Pahokee泥炭(c)、風(fēng)化褐煤(d)中分離出的自組裝樣品(HA0，L0)、物理混合物(HA0/3，L0/2)及組分(HA1，HA2，L1)的碳類型分布

3 討論

3.1 自組裝對(duì)有機(jī)質(zhì)樣品微生物降解的影響

先前的研究認(rèn)為，非化學(xué)特性因素對(duì)SOM的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。MacCarthy和Rice(1991)認(rèn)為，SOM的異質(zhì)性是其長久存在于環(huán)境中的主要原因，且提出其分子的不規(guī)則性使微生物處于混亂的分子環(huán)境中，這種混亂可能搶占SOM作為模板引導(dǎo)生物后代快速利用其作為能源或營養(yǎng)來源而進(jìn)化；Almendr os和Dor ado(2009)也認(rèn)為SOM具有復(fù)雜性，提出其難以降解的原因在于材料的無序結(jié)構(gòu)和重復(fù)單元的缺失；Puglisi等(2009)也指出了SOM結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并認(rèn)為能夠解釋SOM穩(wěn)定的原因是其聯(lián)合的強(qiáng)度而不是特定分子組成的差異；Pap a等(2010)將SOM的穩(wěn)定性歸因于其納米結(jié)構(gòu)，且提出降解性與微孔率相關(guān)。以上研究結(jié)果分析的SOM樣品化學(xué)組成不同，因此，他們的分析結(jié)果不能從其他影響因素中分離出化學(xué)成分的影響。

然而在本研究中，我們能夠從僅在組織程度上存在差異的樣品中，通過直接的數(shù)據(jù)比較，分離出對(duì)礦化產(chǎn)生影響的組織。

通過每種材料中L0和HA0與其相應(yīng)的物理混合物(分別為L0/2和H A0/3)的礦化比較研究，發(fā)現(xiàn)自組裝增強(qiáng)礦化。自組裝樣品的礦化程度與其相應(yīng)物理混合物相比，高達(dá)70%。礦化增強(qiáng)趨勢(shì)與自組裝程度取決于熱容量變化的趨勢(shì)一致(圖8)。熱容量變化越大，樣品的自組裝程度越高，其比相應(yīng)物理混合物的礦化程度越高。

有機(jī)質(zhì)的組織程度不但影響碳的礦化量，也對(duì)微生物有機(jī)體消耗碳的類型有一定影響。對(duì)如Poinsett土壤和Pahokee泥炭中的L0等原始自組裝樣品而言，所有類型的碳均發(fā)生了礦化，而其相應(yīng)的物理混合物中僅發(fā)生了脂肪族和烷基碳的礦化，因此，我們可以假設(shè)，自組裝越多，發(fā)生的碳優(yōu)先礦化越少。究其原因在于，微觀世界中微生物1次只能利用1個(gè)納米結(jié)構(gòu)。然而，由于沒有短期礦化的數(shù)據(jù)，不能排除動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，即可能是由于碳礦化初期主要消耗脂肪族和氧烷基碳，而后期主要利用芳香族和羧基碳。

圖8 在不同自組裝程度(ΔC p = C p自組裝-C p混合物，C p表示熱容量)下自組裝樣品(HA0，L0)的礦化變化率(百分比變動(dòng))Fig.8 Variation of mineralization (percentage change) with the extent of self-assembly (ΔC p = C pself-assembled-C p mixture,where C p is the heat capacity) for the self-assembled samples (HA 0, L 0)

3.2 化學(xué)成分對(duì)有機(jī)質(zhì)樣品微生物降解的影響

本研究主要通過比較結(jié)構(gòu)組成未受到影響的樣品，例如物理混合物L(fēng)0/2和H A0/3，以及HA1、HA2和L1組分，來研究化學(xué)成分對(duì)微生物降解有機(jī)質(zhì)樣品的影響。通過分析13C核磁共振測(cè)得的相關(guān)參數(shù)如碳類型含量和有機(jī)質(zhì)疏水性指數(shù)得到樣品的生物降解相關(guān)性。

微生物降解程度與芳香碳相關(guān)性最好(圖9)，R2值為0.498。研究結(jié)果表明，芳香族化合物從占總有機(jī)碳的60%降至10%，而礦化量則增加了70%。其他碳類型或疏水性指數(shù)均與礦化程度不相關(guān)。

自組裝樣品之間的比較結(jié)果表明，13C核磁共振測(cè)得參數(shù)間不存在相關(guān)性，且不隨樣品芳香性而變(圖9)。這表明，化學(xué)成分對(duì)自組裝樣品礦化的影響有限，但對(duì)非自組裝或自組裝程度有限的樣品起影響作用，這可能填補(bǔ)了化學(xué)成分影響碳穩(wěn)定性研究的空缺。對(duì)高度自組裝系統(tǒng)而言，化學(xué)成分可能并非是影響SOM微生物降解的直接原因，然而，卻不能排除化學(xué)成分對(duì)各組分自組裝的間接作用，以上推測(cè)有待進(jìn)一步研究。

圖9 非自裝組腐植酸樣品(物理混合物L(fēng)0/2和HA0/3，以及組分HA1，HA2和 L1)礦化隨芳香碳含量的變化Fig.9 Variation of mineralization with aromatic carbon content for humic acid samples without organization (mixtures L 0/2, HA 0/3, and fractions HA 1, HA 2, and L 1)-fi lled symbolsand for self-assembled samples (L 0)

3.3 碳穩(wěn)定性的意義

本研究結(jié)果表明，與化學(xué)成分相比，SOM自組裝程度對(duì)其礦化作用影響更大，但化學(xué)成分對(duì)SOM礦化的影響研究尚欠缺。由于土壤和SOM的化學(xué)復(fù)雜性及外界環(huán)境如有機(jī)質(zhì)投入、p H、濕度、溫度和微生物活性等變化，SOM自組裝更可能是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。因此，自組織程度變化比SOM的化學(xué)成分變化更容易在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。

有報(bào)道表明，腐植酸對(duì)不同微生物種群的抗降解能力不同。本研究中僅使用了單一的接種體，還需考慮不同種類微生物的作用以及不同來源材料樣品礦化作用的比較。

假設(shè)腐植酸原始樣品與其相應(yīng)物理混合物僅為自組裝程度不同，假定溫和的提取步驟未引起各成分中化學(xué)性質(zhì)的改變，致使氫鍵鍵合能力和疏水性相互作用較弱。原始樣品和物理混合物樣品核磁共振光譜分析結(jié)果類似，提取過程中碳的回收率高，證實(shí)了以上假設(shè)的正確性。然而，因SOM具有寬泛的核磁共振峰，本試驗(yàn)中不排除未被檢出的小變化。雖然本研究中使用的方法是成功的，最大限度地減少了這些潛在影響，但是擴(kuò)大這些結(jié)論的適用性是一個(gè)很有前景的研究領(lǐng)域。

致謝和參考文獻(xiàn)(略)