可变电荷土壤中磷酸盐在细菌-矿物界面固定的机制

Low utilization efficiency and high accumulation of phosphorus fertilizer in variable charged soils led to some environmental problems such as eutrophication. The phosphorus sorption on colloidal interfaces in the soils was mainly responsible for these phenomena. Although phosphate adsorption on water-mineral interfaces has been studied extensively, even at the molecular level, the information obtained can not fully interpret the phosphorus fixation in natural soils which are composed of heterogeneous interfaces such as minerals and bacteria. Phosphate sorption on representative bacteria and minerals in variable charged soil at different conditions will be investigated using batch experiment, surface characterization, surface complex model simulation and ITC in terms of kinetics and thermodynamics in the present project. The speciation of phosphate on interface will also be analyzed using in-situ spectroscopic methods (ATR-FTIR and solid NMR). The proposal aimed to clarify the phosphate sorption mechanisms on bacteria-mineral interface at both macro- and micro- scale, and the connections and differences of P sorption on the pure mineral and multi-interface. These results will improve our understanding on physical-chemical behavior of P in variable charged soils and provide a theoretical basis for P efficient utilization and eutrophication control.

可变电荷土壤中磷肥利用率低、积累量高，是诱发水体富营养化等环境问题的重要原因之一。磷在土壤胶体界面的固定是造成这种现象的根本原因。尽管无机磷在矿物界面吸附的研究已经深入到分子水平，但其结果并不能完全反映磷在由矿物、细菌等异质胶体界面组成的自然土壤中的固定情况。本课题拟选取可变电荷土壤中代表性的细菌和矿物，运用土壤化学方法、胶体性质表征技术、表面络合物理论模拟、等温滴定微量热技术（ITC）、衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）和固体核磁共振波谱（NMR）等手段，研究不同条件下磷酸盐在细菌-矿物界面固定的动力学、热力学特征，分析界面磷素的分子形态，以期阐明无机磷在细菌-矿物界面固定的规律和分子机理，明确多界面和单一矿物界面固磷的异同，以提升对可变电荷土壤中磷素界面化学行为的认识，为磷资源的高效利用和水体富营养化的控制提供理论基础。

矿物与土壤中其它组分的相互作用必然影响它们对无机磷（P）的固定。近年来，越来越多的证据表明细菌与土壤矿物间存在较强的界面吸附作用。然而，关于细菌如何影响矿物对P的吸附及其机制仍不清楚。本课题选取可变电荷土壤中代表性的细菌（Bacillus subtilis和Pseudomonas fluorescens）和矿物（针铁矿、赤铁矿和三水铝石等），研究了细菌与矿物之间的吸附作用及其对磷酸盐固定的影响和机制。结果表明，供试细菌与铁、铝氧化物存在较强吸附作用，吸附符合“快速＋慢速准一级动力学”过程，主要受静电引力和化学键控制。磷酸盐在三种氧化物表面吸附受时间、P浓度、溶液pH和离子强度（IS）等因素影响，主要以络合态为为主，三水铝石表面还存在沉淀态。细菌-氧化物复合体对P吸附随时间、P浓度、溶液IS和pH等因素的趋势与纯矿物-P吸附的变化相同，并且细菌几乎不影响P在矿物表面的分子形态。但是，在所有条件下，细菌均明显减少了氧化物对P的吸附量，抑制程度与细菌含量正相关。细菌能将P从氧化物表面解吸下来，同时占据位点与氧化物发生吸附，即细菌与P发生竞争吸附。供试细菌均能明显减少三种氧化物表面的正电荷，电荷降低量与P吸附减少量成显著指数关系。因此，细菌可以通过竞争吸附和降低表面正电荷来抑制氧化物对无机磷的固定。这些结果让我们重新认识了细菌在氧化物固定P中的作用，提升我们对可变电荷土壤中磷素界面化学行为的认识水平，为磷资源的高效利用和水体富营养化的控制提供理论基础。