粘土矿物与微生物相互作用在土壤有机物转化中的机理研究

Studies estimate that soil is one of the three largest reservoirs of organic matter (OM) on Earth. The stability of soil organic matter affects global carbon cycle and climate change. Adsorption of soil OM by minerals can slow down OM decomposition. However, elemental redox processes, soil mineral dissolution, and microbial metabolism can not only release OM from OM-mineral associations, but also form new ones. Current studies have largely focused on metal oxides, and the role of clay minerals in these processes is poorly known. The objective of this study is to reveal the role of clay mineral-microbe interactions in transforming soil. We will synthesize OM-clay mineral associations as well as separating these associations from natural soils. These associations will be reacted with various microorganisms in the presence of small organic molecules (“priming molecules” to stimulate microbial activity) to understand the processes and mechanisms of micrbially mediated disintegration and formation of OM-clay mineral associations. The reaction products will be characterized with spectroscopy, mass spectrometry, and microscopy to look for changes in OM composition and to quantify the role of microbes and clay minerals in OM transformations in soils.

土壤是地球上三大有机碳库之一，土壤有机质稳定性对全球碳循环和气候变化有重要影响。土壤矿物对有机质的吸附能有效减缓有机碳的分解，但是元素氧化还原循环、土壤矿物的溶解以及微生物代谢等生物地球化学过程不但能够释放土壤中与粘土结合的有机质，还能形成新的粘土-有机质复合体。但是目前研究集中在金属氧化物，对于土壤中常见的粘土矿物研究甚少。本研究旨在揭示粘土矿物-微生物相互作用在土壤有机碳转化中的作用机理，采用人工合成以及从自然土壤样品分离得到的粘土矿物-有机质复合体，与各种功能微生物与一些有机小分子（用于刺激微生物活性的“启动分子”）相互作用，研究各种微生物参与下粘土-有机质复合体的分解和形成过程、机理。采用光谱、质谱、电镜等一系列手段分析微生物作用前后有机质组分的变化，定量研究微生物与粘土矿物对土壤有机物转化的影响。

土壤碳库是地球三大碳库之一。土壤碳库中有机质的循环周转与气候变化等重要的环境过程息息相关。土壤中的有机碳与粘土矿物紧密结合，因此粘土矿物的属性也影响着土壤有机碳在环境中的周转。本项目通过研究粘土矿物在土壤碳循环中的作用，揭示粘土矿物保存有机碳的机理与过程，以及可能的释放有机碳的途径，完善我们对土壤碳循环过程的认知。项目执行四年期间，按照任务书稳步进行。通过从简单的人工合成矿物-有机质体系，逐步过渡到复杂的自然土壤体系，探究了微生物与粘土矿物相互作用过程中土壤有机质的转化过程。发现了可膨胀粘土矿物的层间域可以保存有机质。在粘土矿物-铁氧化物-有机质复合体的微生物还原过程中，粘土矿物的存在增加了矿物结合态有机质的微生物可利用性，提高了微生物的铁还原速率与程度。并且我们还发现反应后复合体中的有机质部分转变为了以微生物残体，胞外分泌物等微生物碳，表明着类似海洋微生物碳泵的机制在土壤环境中可能也同样存在。我们还进一步探究了氧化条件下含铁粘土矿物产生羟基自由基（•OH）的机理及对环境有机质的降解作用。发现羧氨类小分子有机质和磷酸根能够通过改变自由基的产生途径，由在矿物表面产生的非均相途径转变为在溶液中产生的均相途径，提高•OH的产量。土壤腐殖酸的存在也可以提高•OH的产量，另外产生的•OH还能够降解腐殖酸，减小其分子量，破坏荧光基团，增加氧化官能团，显著地提高其微生物可利用性。综上，我们通过本项目研究发现，粘土矿物在土壤有机质的周转中起到了十分关键的作用，根据与有机质不同的结合方式，以及不同的氧化还原条件下，粘土矿物既能够保存有机质，又可以催化降解大分子有机质，提高其生物可利用性。该项目取得了一系列高水平的成果，达到了预定目标，进一步拓展了我们对粘土矿物在土壤有机碳循环过程中的认知。