粘土矿物催化土壤中小分子有机物生成CO2和挥发性有机物的机理研究

It is prevalent in the terrestrial ecosystem that soil clay minerals catalyzing soil organic matter to form CO2 and volatile organic compounds (VOC). This processes would be significant for stratosphere and troposphere environment, and might influence human health. However, the processes of abiotic CO2 and VOC generation by clay minerals reacting with soil organic matter still lacks scientific understanding, the evidence for supporting the reacting mechanism lacks deep exploring, and the clay mineral mediated abiotic CO2 and VOC flux lacks basic evaluating. This project aims to clarify how CO2 and VOC occurring correlates with the molecule structure of soil organic matter, the structural Fe and Al-O/Si-O crystal structure of the clay minerals, and the environmental factors. Therefore, different standard clay minerals, different soil organic matter of small molecules, and different environmental factors would be selected for study in purpose. The processes of interest include the abiotic mineralization, humification, and process of VOC generation. In order to obtain the direct evidence to support the reacting mechanism, multiple in-situ and ex-situ spectral characterization techniques would be applied. And 14C-isotope tracing experiment would be established to evaluate the importance of abiotic CO2 and VOC emission in practical ecosystem. This study would be significant for understanding the terrestrial soil system as the carbon source or sink of atmosphere CO2, and as the abiotic source of VOC.

土壤中存在粘土矿物催化小分子有机物生成CO2和挥发性有机物（VOC）的现象，该非生物过程对大气环境和人体健康的影响或不可忽略。然而目前有关粘土矿物催化土壤中小分子有机物产生CO2和VOC的反应仍然缺乏系统的研究，该过程的发生机制缺乏直接的证据支撑，粘土矿物非生物过程产生CO2和VOC的排放通量及其重要性缺乏有效的评估。本项目将系统研究不同土壤小分子有机物与不同粘土矿物作用，在不同环境条件下发生矿化、腐殖化并产生VOC的过程，阐明CO2和VOC的发生与土壤中小分子有机物的分子结构、粘土矿物结构态Fe和Al-O/Si-O晶体结构、以及环境条件因子的关联性；通过多种异位/原位光谱表征技术获取反映粘土矿物作用机制的直接证据；利用14C同位素示踪技术初步评估粘土矿物非生物过程对大气CO2和VOC排放的重要性。该研究对于理解陆地土壤系统成为大气CO2碳源或者碳汇，以及VOC的非生物来源具有重要意义。

土壤中存在粘土矿物催化转化小分子有机物生成CO2和挥发性有机物（VOC）的现象，该过程对大气环境和人体健康有着不可忽视的影响。以往的研究发现含有Fe3+的土壤能够催化转化土壤中的邻苯二酚生成一种高毒性的挥发性有机物——呋喃。本项目研究了不同粘土矿物与邻苯二酚的反应，发现粘土矿物的结构铁和结构铝也可以催化邻苯二酚产生呋喃，其中结构铁含量最高的绿脱石以及含有裸露铝氧面片层的高岭土对邻苯二酚转化效率最高。该过程与领苯二酚的矿化效率呈负相关，而与其腐殖化反应呈正相关。进一步研究发现碱性条件和共存羧酸根离子有利于呋喃的生成，共存腐殖质对呋喃的生成没有显著的影响，光照能够明显促进呋喃的产生。然而，粘土矿物转化多酚类物质生成呋喃的现象仍需更广泛的研究才能判断其对于大气环境和人体健康影响的重要性。除此之外，本项目还研究了模拟大气环境中含铁矿物对挥发性多酚的催化转化生成褐碳的过程。以愈创木酚和邻苯二酚为研究对象，研究其在含铁粘土款物表面以及Fe3+离子存在下的反应，考察空气湿度对该过程的影响，利用多种光谱和质谱手段来研究所生成褐碳的光谱特性及产物组成，并推测反应路径。结果表明空气湿度将控制含铁粘土矿物表面酸度以及其对愈创木酚的吸附量，从而极大程度上决定愈创木酚在粘土矿物界面褐碳化反应效率的。同时，光照，共存离子种类（氯离子、硝酸根离子、硫酸根离子、丙酮酸分、草酸、邻苯二甲酸）、离子强度、pH条件等将显著影响气溶胶中自由态Fe3+对愈创木酚和邻苯二酚褐碳化反应的进程，以及所生成的褐碳的团聚特性。Fe3+与共存阴离子在不同条件下的配位络合稳定性，以及光照条件下产生的自由基是影响褐碳化反应进程的内在机理。综上所述，本项目围绕粘土矿物与多酚类物质的自然转化现象，包括其矿化、生成挥发性有机物、褐碳化等过程，研究结果将有助于我们认知土壤和大气环境过程。对于大气褐碳过程而言，明确了大气中褐碳的来源与归趋，从而解释雾霾的形成和潜在的健康风险。