近期4则土壤科研进展|研究

来源:  作者:    阅读次数:1050  发布时间:2018-07-26

  导 读

  近期4则土壤科研进展。

  来源:根据中国科学院网站、中国科学院南京土壤研究所网站近期相关报道整理

  南京土壤所在过硫酸盐化学氧化修复有机污染土壤机制方面取得进展

  基于过硫酸盐的高级氧化是近些年发展起来的一种污染修复新技术,被广泛应用于土壤和地下水的原位修复,在这一过程中过硫酸盐体系产生的硫酸根和羟基自由基能够高效降解有机污染物。但是,环境中存在一些高卤代的有机污染物,如全氟化合物、多溴联苯醚、有机氯农药等,很难被氧化性自由基降解。这些污染物能通过还原途径降解。在研究活化过硫酸盐体系中的自由基种类过程中,中科院南京土壤研究所高娟研究员团队发现过硫酸盐体系硫酸根和羟基自由基可以与乙醇和叔丁醇等有机溶剂反应产生还原性醇自由基,并实现了氯代有机污染物的高效还原脱氯降解,相关研究结果近期发表在Water Research上。

  进一步研究发现,过硫酸盐在热活化下不仅能产生过硫酸根自由基,还能产生还原性自由基(S2O8·–)。还原性自由基在厌氧的条件下能够实现高氯代有机污染物的高效脱氯降解。研究者利用电子顺磁共振技术、结合量子化学计算初步揭示了过硫酸盐体系S2O8·–形成过程、S2O8·–转化及降解氯代有机物的作用机制,该研究结果拓展了过硫酸盐修复有机污染土壤的理论基础,相关结果可见近期的Environmental Science & Technology。审稿专家一致认为该结果是过硫酸盐原位化学氧化领域的重要发现,对地下环境中有机氯化物的限氧高效还原修复技术具有指导性的意义。

  以上研究得到了科技部纳米重点研发计划、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金委和南京土壤研究所一三五领域前沿项目的资助。

  文章链接

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135418302653

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.7b06279

  过硫酸盐自由基还原降解六氯乙烷的途径

  土壤中低镁黏土矿物与铁氧化物富集轻镁同位素机制研究获进展

  镁是动植物必需的营养元素之一,参与动植物生长的多个生理过程,如蛋白和叶绿素的合成等。土壤是植物主要的“营养元素库”,镁通过根系吸收进入植物,再通过食物链进入动物体中。因此,了解镁在土壤体系中的生物地球化学行为,对农业生产及人体健康保护具有重要的科学意义。铁锰结核是区域性土壤中的常见矿物组分,由于其极大的比表面积,强烈影响金属元素在土壤中的迁移分布及生物有效性。中国科学院地球化学研究所刘承帅课题组通过Mg同位素地球化学手段对我国华南水稻土壤、铁锰结核、孔隙流体及植物体等Mg同位素组成进行了系统的研究,取得新的认识和进展:

  (1)铁锰结核与土壤具有完全不同的Mg同位素组成,这可能与Mg的来源有关:铁锰结核中的Mg主要来源于孔隙流体,而土壤中的Mg来源于原硅酸盐风化。

  (2)由于重Mg同位素优先进入矿物中,铁锰结核结构中的Mg相对于可交换及可溶性Mg具有较重的Mg同位素组成;但是,频繁的氧化还原反应会使铁锰结核富集轻Mg同位素。

  (3)因为低镁黏土矿物的Mg同位素组成主要受控于具有较轻同位素组成的可交换Mg,土壤具有很轻的Mg同位素组成;孔隙流体与次生矿物(如铁氧化物和黏土矿物)相互作用过程中,离子交换反应可以优先置换矿物中的重Mg同位素。

  该研究证实了铁氧化物和低镁黏土矿物可富集轻Mg同位素,提供了一种关于自然界中部分土壤具有较轻Mg同位素组成的新解释(如图)。研究也进一步证实,孔隙流体与次生矿物之间的离子交换也是土壤Mg同位素分馏的关键过程,这也是决定Mg由惰性态转变为可利用态的关键地球化学过程。成果发表在地球化学领域期刊Geochimica et Cosmochimica Acta(Gao, T., Ke, S., Wang, S., Li, F., Liu, C*., Lei, J., Liao, C., Wu, F. Contrasting Mg isotopic compositions between Fe-Mn nodules and surrounding soils: Accumulation of light Mg isotopes by Mg-depleted clay minerals and Fe oxides. Geochim. Cosmochim. Acta, 2018, 237: 205-222)。第一作者为博士生高庭,通讯作者为研究员刘承帅。研究受到国家自然科学基金项目(41701266、U1612442、41420104007、41561092)、中科院前沿重点项目(QYZDB-SSW-DQC046)和中科院百人计划项目资助。

  图:该研究及已发表文章土壤的Mg同位素组成汇编

  华南植物园在南亚热带常绿阔叶林土壤碳循环研究中获进展

  中国科学院华南植物园鼎湖山站长期的观测数据和模型模拟皆表明,在过去三十年里,我国南亚热带区域降雨量年际间变化并不明显,但降雨频度和强度发生巨大的改变,相应地,该区域森林土壤湿度下降了36-41%(Zhou et al., 2011)。先前的研究表明,南亚热带成熟森林土壤可以持续积累有机碳(Zhou et al., 2006),虽然对此现象进行了初步的探讨,但其机理仍不清楚。土壤湿度的明显降低意味着土壤CO2排放会下降,在一定程度上可能促进了土壤有机碳的积累。是否当前该区域降雨频度和强度的剧烈变化也影响了土壤CO2排放,还鲜有直接的实验证据支持。

  华南植物园鼎湖山站生态系统化学计量研究组研究员邓琦等,以鼎湖山季风常绿阔叶林为研究对象,针对该区域降雨的长期变化趋势,开展了野外降雨频度控制实验,首次发现增加降雨频度(降雨次数增加但年降雨量不变)显著加快土壤CO2排放,而干旱处理(减少50%年降雨量)对土壤CO2排放影响不大,主要减少了凋落物分解过程中直接排放的CO2。进一步通过凋落物处理发现增加降雨频度主要是通过加快凋落物分解速率,导致更多极易分解的凋落物淋溶有机碳进入土壤,从而刺激微生物活性和加快土壤碳损失。通过人工模拟降雨的手段,发现降雨过程中凋落物淋溶有机碳浓度变化较其总量的输入起着更为决定的作用,从而改变微生物群落组成。

  该研究不仅为探讨该区域“成熟林土壤可持续积累碳”驱动因子提供了新的思路和科学依据,而且从机制上认识了凋落物淋溶有机碳可能是理解土壤碳循环对全球变化响应的关键过程之一。

  相关研究成果已于近期分别发表在国际学术期刊Soil Biology & Biochemistry 和Scientific Reports上。

  论文链接

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071716307738?via%3Dihub

  https://www.nature.com/articles/s41598-017-06345-2

  图:降雨变化对土壤CO2排放潜在影响的概念模型

  沈阳生态所揭示电动修复效率的影响机制

  电动修复技术是通过在土壤中施加低密度直流电,利用电动效应去除污染物的修复方法。电动现象主要包括电迁移(电荷的流动)和电渗析(土壤孔隙液体流动)。电迁移是土壤孔隙液中的离子在电场力作用下向带相反电荷电极传输的过程。电渗析是由胶体颗粒的双电层(EDL)中过量的阳离子因转运携带的孔隙水定向流动而产生的液体流。电迁移和电渗析在长期电动处理中是难以持续的。尽管很多研究在土壤电动修复中,采用了极性反转、增大电压梯度和补水等调控方法以维持上述两个过程,但在长期处理中依然观察到电流的下降和电渗析流的停止。

  中国科学院沈阳应用生态研究所环境工程组程凤莲等针对电动过程中存在的电动效率下降的问题,以土壤中的离子和胶体为研究对象开展研究,发现了电动过程的三个阶段,阐述了不同阶段电迁移、电渗析过程的关系;揭示土壤离子在电场条件下呈空间异质性分布的原因;电迁移和电渗析引起土壤 pH 值和可溶性离子的非均匀分布,导致土壤不同区域胶体双电层厚度(图1)和粒径(图2)发生变化。研究发现土壤可迁移离子的减少、胶体颗粒的聚集是影响电动效率的主要原因,为电动技术的分区域调控提供了理论依据。

  该研究成果以The loss of mobile ions and the aggregation of soil colloid: Results of the electrokinetic effect and the cause of process termination 为题发表在Electrochimica Acta上。环境工程组博士程凤莲为第一作者,研究员郭书海为通讯作者。该研究得到国家重大科技专项(2016ZX05040-005)、国家自然科学基金(21677150、21507144)等的支持。

  论文链接

  https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S001346861732515X

  图1.土壤双电层厚度变化示意图

  图2.土壤胶体颗粒粒径分布

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