可溶性有机质（DOM）在土壤矿物界面的分子分馏行为及其对DOM氧化还原特性影响的分子机制

Soil organic matter (SOM) contains the biggest pool of organic carbon in terrestrial ecosystems. Dissolved organic matter (DOM) represents a small but the most mobile and active SOM fraction. It can bind on minerals via myriad interactions and form mineral–organic aggregate, which is the basic building-block of soils. The associations of DOM with mineral surfaces not only influence the long-term retention of SOM, but also affect the environmental and biogeochemical processes of contaminants and nutrients. In recent years, the rapid development of analytical techniques evolved new recognition of the molecular structure of DOM, providing a new view on investigating the interaction between DOM and soil minerals. Therefore, the present proposal is to focus on the interfacial fractionation of DOM molecules induced by interaction with soil minerals. The combining application of high-field Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS) and advanced electrochemical techniques will be used to explore the mechanism of the molecular fractionation of DOM on soil mineral surface and the subsequent influence on the redox capacity of DOM, and finally to explore the redox mechanism of DOM base on its molecular components. The research will promote the understanding of the molecular structure and redox potential of soil DOM. It also can provide new insights into the molecular mechanism of long term persistence of SOM and the exchange of DOM components at the land-water interface.

土壤有机质是陆生生态系统最大的有机碳库，可溶性有机质（DOM）是其中性质最活跃的部分，它与土壤矿物作用形成有机-矿物团聚体，构成土壤结构的基本单元。二者相互作用不仅影响土壤有机碳循环，而且深刻影响污染物和营养物质的环境生物地球化学行为。近年来，随着分析技术的发展，对DOM的分子组成和结构有了新的认识，也为从分子水平重新认识DOM-矿物相互作用提供了新视角。本项目即围绕土壤矿物作用引起的DOM分子界面分馏过程展开研究，旨在利用傅立叶变换离子回旋共振质谱和光/波谱技术结合先进的电化学手段揭示DOM在矿物表面的分子分馏行为及其机制，阐明DOM的界面分子分馏对其氧化还原能力的影响，最终从DOM分子组成探究其氧化还原作用机理，揭示DOM氧化还原活性组分在界面分馏过程中的归趋。研究成果将为认识土壤DOM分子组成及其氧化还原机理和理解土壤DOM的选择性持留及其在水/陆界面的分子交换行为机制提供科学依据。

土壤有机质（SOM）是陆地生态系统最大的有机碳库，可溶性有机质（DOM）是其中性质最活跃的部分，深刻影响全球碳循环。此外，DOM具有氧化还原、光化学和生物活性，对污染物的环境行为有重要影响。矿物是土壤中含量最大的组分，土壤矿物与DOM的相互作用是影响土壤有机碳稳定性的关键。近年来，以傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）为代表的高分辨质谱的发展为从分子水平认识DOM的化学组成和行为提供了有力工具。本项目围绕土壤DOM提取和表征方法、分子多样性、氧化还原和光化学活性，以及DOM与土壤矿物相互作用开展研究，主要取得以下成果：建立了基于化学发光的土壤有机碳芳香化度快速表征方法；研究了不同土壤DOM提取和前处理方法对其分子组成的影响，全面揭示了全国范围内土壤水提取有机质（WEOM）的分子多样性特征，发现土壤铁碳比对其分子组成具有调控作用；联合FT-ICR MS和电化学方法阐明了DOM分子组分与其氧化还原特性之间的关系；探究了赤铁矿暴露晶面对DOM吸附和界面分馏效应的影响，发现DOM的界面分子分馏受其表面单铁原子配位羟基控制；系统研究了DOM在水土界面的分子分馏效应，发现其主要受土壤中铁含量的控制，且土壤细颗粒对DOM界面分子分馏的贡献更大；发现DOM在铁氧化物界面的分子分馏导致水体中DOM分子的氧化还原活性、光化学活性和生物可降解性降低，因此DOM在土壤矿物界面的分子分馏能够引起DOM生态环境效应的改变。本项目的研究成果有助于全面认识土壤DOM分子多样性，为从分子水平认识DOM-矿物相互作用提供了新视角，结果有利于理解土壤矿物对DOM的选择性保护机制，并为认识DOM的界面分子分馏引起的生态环境效应提供理论基础。