自組裝和化學成分對腐植酸礦化影響的比較

Moustafa M. R. Khalaf Gabriela Chilom James A. Rice 著 張水勤 袁 亮 譯

(1 美國南達科塔州立大學化學與生物化學系 布魯金斯 SD57007

2 埃及米尼亞大學理學院化學系 米尼亞 61519

3 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北京 100081)

天然的有機質(zhì)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫；土壤有機質(zhì)(SOM)是生物碳庫的4倍之大。SOM礦化向大氣中排放的CO2比人為活動的排放量高一個數(shù)量級，這使得人們對SOM持久性的研究興趣增加，并使通過土壤碳循環(huán)模型預測土壤及地表環(huán)境中SOM持久性方面的研究得到了長足的發(fā)展；而目前對調(diào)控SOM持久性分子過程的理解水平卻限制了這些模型預測SOM對環(huán)境變化的長期響應能力。這些模型大部分通過用至少3個碳庫來描述SOM參與碳循環(huán)的過程，這些碳庫由生物學穩(wěn)定性(不穩(wěn)定、穩(wěn)定、難熔和惰性)、分解速率(快速、中速和慢速)和周轉時間(短、長、很長)定義。以上模型基于有機組分抗分解的主要原因是其化學結構的抗性作用機制。最近的研究挑戰(zhàn)了抗性的概念且引入了一個新的基本概念來解釋有機質(zhì)存在的持久性，這種新興的觀點強調(diào)了僅有分子結構不能解釋SOM的持久性，還需要考慮有機質(zhì)與環(huán)境之間的交互作用。

最新的SOM分子集合模型也是基礎概念的一部分，其強調(diào)了有機質(zhì)組分之間及其與礦物質(zhì)的交互作用，而非這些組分的自身化學組成特性。Wershaw(1994)認為SOM是“膜模型”中以溶液中的微團形式、土壤和沉積物中的包裹礦物顆粒雙層膜形式存在的有序集；Piccolo(2001)提出了“超分子”模型，認為SOM是因分子間作用力和多分子間復雜性而異的較小分子聚集的超分子集合構造；Kleber等(2007)引入了“帶狀模型”，即SOM是多種以離散序列吸附在礦物表面的兩性分子構成的混合物；Chilom和Rice(2009)認為SOM具有自然分層自組裝或自組織的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中各組分通過范德華力、氫鍵和疏水性等相互作用，以及以非共價或弱的交互作用有序排列。通過改變各組分之間交互作用的環(huán)境條件能夠影響自組裝過程。自組裝和非自組裝腐植酸熱容量之間的比較，能夠為SOM的自身組成提供直接依據(jù)。

組裝材料的特性差異和其不同于原材料的行為能力是自組裝的特征之一。比如，Sa lloum(2001)等對天然有機質(zhì)樣品進行分級，結果表明，標準有機碳1-萘酚的吸附系數(shù)(K0C)不同于其原材料。在SOM組織狀態(tài)和微生物降解持久性方面數(shù)據(jù)的缺乏可能是決定環(huán)境中有機質(zhì)穩(wěn)定性的關鍵因素。

本研究的目的是通過區(qū)分有機質(zhì)化學成分中組織的影響，定量評估有機質(zhì)自組裝對其微生物礦化作用的影響。文中進行了以下比較：(1) 樣品的礦化是在同一原材料下，具有相同化學成分的樣品進行物理混合來確定對自組裝的影響；(2) 以化學成分和自組裝作為變量影響礦化的相對重要性。該方法為有機質(zhì)的組成狀況如何影響SOM的穩(wěn)定性和如何運用以上影響增加有機質(zhì)在土壤中的殘留時間提供參考。

1 材料與方法

1.1 有機質(zhì)樣品

本研究中所使用的原材料分別為：國際腐殖質(zhì)學會提供的風化褐煤(LEO)和Pah ok ee泥炭(PP)，采自美國科羅拉多中部的一種被歸類為Cr y oh emist的泥炭土，一種被歸類為細粉質(zhì)的混合了Udic Haploborolls的礦質(zhì)土。后兩種土壤分別代表了Guanella Pass泥炭(GP)和Poinsett粉壤土(PS)。以上材料提取的腐植酸化學成分變化較大,如風化褐煤的核磁共振(NMR)光譜結果表明，其腐植酸中幾乎僅包含芳香族和脂肪族碳成分，而Poinsett粉壤土的腐植酸具有典型的腐植酸碳類型分布，這也是選取其作為研究材料的原因。

通過傳統(tǒng)的堿提取方法從以上材料中提取自組裝有機質(zhì)。未進一步處理的原始腐植酸樣品為HA0。根據(jù)Ch iolom等(2009)的提取步驟，按索氏提取法，用苯∶甲醇共沸混合物(3∶1，v∶v)保持72 h，提取出組分L0；移除L0，從H A0提取出的組分為H A1。之后用堿浸提L0組分，進一步分離，獲得兩性組分HA2和脂質(zhì)組分L1。具體分級見圖1。

圖1 從原材料中分離腐植酸(HA0)及其組分(HA1，L0，HA2，L1)的步驟示意圖Fig.1 Schematic diagram of the procedure to isolate humic acid (HA0) and its fractions (HA1, L 0, HA2, L 1)from source materials

每個樣品的碳質(zhì)量平衡，計算初始物料中每種組分的豐度。根據(jù)碳質(zhì)量平衡，按嚴格的比例，混合各自最初狀態(tài)下的組分，從而分別得到H A0和L0的物理混合物。第1種混合物為與H A0相對應的H A0/3，是H A1、H A2和L1的混合物；第2種混合物為與L0相對應的L0/2，是HA1和L1的混合物。

運用日本島津公司總有機碳分析儀測定所有樣品中有機碳含量。該儀器的工作原理是：自由CO2氣流作用下，有機質(zhì)催化氧化，通過紅外吸附測定CO2的量，得到樣品中有機碳含量。

1.2 礦化試驗

營養(yǎng)液組成及配制方法如下：3 g NaNO3、1 g KH2PO4、0.5 g MgSO4·7H2O和0.01 g FeSO4溶于1 L無菌去離子水。按照先前步驟中所描述，以有機質(zhì)樣品充當該試驗的唯一碳源，即將70～100 mg干有機質(zhì)樣品添加至裝有100 m L營養(yǎng)液的250 m L耐熱玻璃瓶中。向該溶液中添加0.1 M NaOH使該溶液最終p H為7.5。玻璃瓶旋蓋用硅/聚四氟乙烯材質(zhì)，氣體進出口用聚四氟乙烯管填充。每天通過進口管向玻璃瓶通入CO2自由氣體15 min，而此時出口管保持打開狀態(tài)以維持培養(yǎng)試驗期間的有氧環(huán)境。其他時間，通過2個閥門的關閉系統(tǒng)。

從新鮮的Poinsett粉壤土土樣中獲得菌劑，4 ℃保存，備用。土壤樣品中加100 m L無菌去離子水制成懸液，往復式振蕩機劇烈過夜振蕩。該懸浮液用微量的葡萄糖(0.5 g/L)濃縮，置于暗處，37 ℃條件下保存24 h。用一次性的無菌注射器分取該懸浮液0.5 m L，通過硅/聚四氟乙烯管分別加入每個含有SOM和營養(yǎng)液的玻璃瓶中。每個有機質(zhì)樣品和對照(僅有營養(yǎng)液和SOM溶液)均設置3個重復，將其置于回旋式振蕩器上(暗處、室溫條件下)振蕩125天。通過燒瓶封口片用無菌注射器定期從瓶中移出少量的培養(yǎng)液以測定p H，保證試驗處于恒定的環(huán)境；同時，運用連續(xù)的稀釋和Czapek-Dox瓊脂板固定檢測細菌的生長狀況。

培養(yǎng)后期，3個重復的溶液合成1個，并用H Cl酸化。將上述溶液離心過濾以分離出沉淀中的有機質(zhì)，45 ℃下真空電爐干燥后，研成粉末，稱重并測定其有機碳含量。通過計算有機碳初始量和培養(yǎng)后量的差別，得出礦化量，以初始有機碳含量的百分數(shù)表示。根據(jù)初步短期礦化試驗結果，風化褐煤和Guanella泥炭的標準偏差低于10%。由于以上樣品不進行其他的分析，因此，分別對每個樣品短期礦化試驗碳含量進行了3次測定。

1.3 13C固態(tài)核磁共振光譜

主要碳組分的相對豐度用13C固態(tài)核磁共振光譜檢測，從而了解培養(yǎng)前后有機質(zhì)樣品的化學構造。檢測儀器為布魯克公司生產(chǎn)的A v an ce 300光譜儀，在頻率為75 MH z和高速旋轉(13 k H z)條件下，與通過CP/T1振蕩試驗中獲得的T1C修正相結合，用直接偏振魔角旋轉(DPMAS)記錄13C核磁共振光譜結果。有機質(zhì)樣品直接決定了DPMAS的循環(huán)延遲時間，在3～6 s之間。將樣品塞入帶有聚三氟氯化乙烯蓋子、直徑為4 mm的氧化鋯轉子里，如果樣品量有限，可向轉子中加入鋁土等惰性材料以確保樣品位于探測器線圈之內(nèi)。通過以下化學位移區(qū)域整合13C核磁共振光譜以確定碳組分含量：0～50 ppm，烷基碳；50～108 pp m，氧烷基碳；108～160 ppm，芳香碳；160～212 ppm，羧基/羰基碳(運用軟件擴充光譜儀操作系統(tǒng))。有機質(zhì)的疏水性指數(shù)以(烷基碳+芳香碳)與(烷氧基碳+羧基碳)的比率計算。

1.4 差示掃描量熱法

用裝有LT C-50低溫冷卻組件的日本島津公司DSC-50差示掃描量熱儀開展差示掃描量熱法試驗，用銦和鋅標準物的熔解溫度和人造藍寶石(NISST SRM 720)熱容量校準儀器。通過連續(xù)3次測定結果得到樣品的熱容量，第1次測量池為空，第2次用參考材料(人造藍寶石)充滿，第3次用需要檢測的樣品充滿，整個測定過程參比池均為空。每個試驗從測定開始到最終結束，均以5 ℃/min加熱速度，將溫度從10 ℃升至70 ℃，且保持等溫時間5 min。為確保痕量水分或有機溶劑的移除，所有樣品均置于60 ℃真空電爐中保存24 h，稱重，預熱(以20 ℃/min速度將溫度從室溫升到100 ℃，保持30 min)。所有試驗均用未封口標準鋁池。

2 結果

2.1 有機質(zhì)樣品的組成

每個H A0及其組分的13C DPMA S固態(tài)核磁共振光譜如圖2所示。在烷基(0～50 p p m)、氧烷基(50～108 ppm)、芳香族(110～160 ppm)和羧基/羰基(160～220 ppm)的光譜區(qū)域均出現(xiàn)了寬且明顯的碳峰。烷基區(qū)域的面積受29 p p m處的峰所控制，表明長鏈聚亞甲基結構的存在。此外，在15 p p m和20 p p m處還出現(xiàn)了其他雙峰，這是由于短鏈碳氫化合物和長鏈烷類聚合物的末端碳原子存在。在氧烷基區(qū)域72 p p m處出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，表明了糖類、纖維素、乙醇和(或)醚的存在；50～60 ppm處是甲氧基、次甲基和季碳的特征峰；肩峰的存在通常歸因于陸生材料中木質(zhì)素的存在。芳香碳共振區(qū)域主要受129 ppm處峰值的影響，該峰值的出現(xiàn)表明未被取代的和被烷基取代的芳香碳的存在。145～162 p p m化學位移處的共振說明了酚碳的存在。羧基碳區(qū)域的主要峰值位于172 ppm處，表明了羧基、酯和氨基化合物碳的存在。

圖2 腐植酸(HA0)及其組分(HA1，L0，HA2，L1)的13C DPMAS固態(tài)核磁共振光譜Fig.2 13C DPMAS solid state NMR spectra of samples of humic acid (HA0) and its fractions (HA1, L 0, HA2, L 1) derived from Guanella peat (a), Poinsett soil (b), Pahokee peat (c) and leonardite (d)

原始腐植酸樣品(H A0)中，不同的碳類型分布規(guī)律揭示了樣品之間的相似與獨特之處。風化褐煤、Pahokee泥炭、Poinsett土壤和Guanella泥炭4種原始H A0樣品除風化褐煤外，其他3種樣品中的羧基/羰基碳相對含量相似。該4種樣品的氧烷基碳相對含量的規(guī)律與羧基/羰基碳相對含量的規(guī)律一致。Guan ella泥炭H A0樣品中的烷基碳含量最高，數(shù)值達41%；而其他3種H A0樣品中烷基碳含量相似，數(shù)值在15%～20%的范圍之內(nèi)。風化褐煤H A0樣品中芳香碳含量最高，數(shù)值達56%；而Pahok ee泥炭、Poinsett土壤和Guanella泥炭3種H A0樣品中芳香族碳的含量依次降低，分別為43%、34%和19%。

以有機溶劑和水為浸提劑，浸提得到來源于風化褐煤、Pah ok ee泥炭、Poin set t土壤和Gu an ella泥炭4種材料的H A0中不同碳類型的分布，如表1所示。有機溶劑可浸提出以有機酸脂質(zhì)混合物L0形態(tài)存在的碳，該碳的百分比的范圍在16%～30%之間。該浸提過程提取了約一半的烷基碳和三分之一的其他類型碳。因此，H A1的烷基碳相對含量有所減少，但芳香碳的相對含量則高于原始H A0樣品。4種材料中H A1組分與H A0樣品的芳香性具有的變化趨勢相一致。用水浸提L0混合物能夠從兩性的腐植酸組分中分離出脂質(zhì)組分。該脂質(zhì)組分含有特定的烷基碳(其主要光譜位于烷基峰處)，而H A2組分的光譜結果則表征了烷基、烷氧基和羥基/羧基碳的存在，且H A2組分中烷基碳的相對含量高于原始腐植酸樣品中烷基碳的相對含量。

風化褐煤、Pah ok ee泥炭、Poin sett土壤和Guanella泥炭的4種材料的自組裝樣品(HA0和L0)及其相應物理混合物(H A0/3和L0/2)的相對碳類型分布，如表2所示。試驗結果表明，自組裝樣品(H A0和L0)及其相應的物理混合物(H A0/3和L0/2)的試驗誤差完全一致；它們化學成分相似，表明提取過程中其化學成分沒有發(fā)生大的變化，因此有機質(zhì)的化學改性使微生物降解行為出現(xiàn)差異的可能性極小。

表1 不同來源的腐植酸樣品中有機質(zhì)組分a分布百分比*Tab.1 Percent distribution of organic matter fractionsa obtained from humic acid samples originating from different source materials

表2 從13C DPMAS核磁共振光譜計算得到的自組裝樣品及其相應物理混合物的相對碳類型分布aTab.2 Relative carbon-type distributionsa of self-assembled samples and their corresponding physical mixtures calculated from 13C DPMAS NMR spectra

2.2 有機質(zhì)樣品的自組裝

由于材料的比熱容與其結構直接相關，因此，在先前的研究中，我們提出可運用比熱容來獲取復雜的可溶性有機碳中的結構信息。經(jīng)過原始自組裝腐植酸(HA0，L0)及其對應物理混合物(HA0/3，L0/2)比熱容的比較測定結果表明，腐植酸有連續(xù)2個組織結構。L0是第1層次，其是兩性分子H A2和類脂L1交互作用合成的材料。H A0是第2層次，其是L0和H A1交互作用的結果。第1層次的特征是比熱容增加，而第2層次的熱容量則降低(表3)。熱容量的減少被普遍認為是分子間相互作用的增加或交聯(lián)，從而使結構更加緊實、柔韌度變差。Larson等(1997)認為，低品位煤暴露在溶脹溶劑中形成一個高度相關的結構，其熱容量增加。與相對應的擴展部分(即體積)相比，納米晶體材料表面能部分對系統(tǒng)整體能量貢獻更大，因此，其被觀察到熱容量增加。Chilom和Rice(2009)認為第一有機質(zhì)組織層次(L0的產(chǎn)物)熱能量的增加是由于納米級結構L0的形成，因此，L0和H A0的樣品測定結果均支持自組裝結構的形成和比熱容的變化。與HA0樣品相比，L0樣品的比熱容變化更大，綜上表明這些樣品結構組成更為廣泛。

表3 20～50 ℃范圍內(nèi)自組裝樣品及其相應混合物平均比熱容的差異Tab.3 Differences in the specifi c heat capacities (C P) of the self-assembled samples and their corresponding mixtures averaged for the temperature interval of 20～50 ℃

2.3 樣品的礦化

溶解性有機質(zhì)樣品作為單一碳源培養(yǎng)125天后，其被土壤微生物礦化的程度存在差異，試驗測得的礦化值恰好在關于土壤腐植酸微生物降解研究測得值的范圍內(nèi)。

4種材料HA0樣品的礦化顯出較大變化(圖3)。Guanella泥炭的HA0樣品碳礦化率最高，為43%；隨后是Poin sett土壤、Pah ok ee泥炭和風化褐煤的，分別為28%、18%和6%。

圖3 從Guanella泥炭(GP)，Poinsett土壤(PS)，Pahokee泥炭(PP)和風化褐煤(LE0)分離出的腐植酸(HA0)樣品的礦化率Fig.3 Mineralization of humic acid (HA 0) samples isolated from Guanella peat (GP), Poinsett soil (PS),Pahokee peat (PP) and leonardite (LEO)

各組分比較結果(圖4)表明，所有材料中L0的礦化程度最高，占總有機碳的35%～43%。兩性腐植酸組分H A2和脂質(zhì)組分L1的礦化程度分別為20%～44%和13%～30%。微生物似乎對每種材料中H A1組分的利用最少，整個試驗中該組分僅有4%～26%發(fā)生了礦化。

圖4 分離出的各腐植酸組分(HA1，L0，HA2和L1)的礦化率Fig.4 Mineralization of humic acid fractions (HA 1, L 0, HA 2,and L 1) isolated from Guanella peat (a), Poinsett soil (b),Pahokee peat (c) and leonardite (d)

研究中L0礦化程度大多高于其相應的物理混合物(L0/2)(圖5a)。H A0的連續(xù)礦化模式高于物理混合物H A0/3(圖5b)，盡管4個樣品中有3個的差異均未達到顯著水平(P=0.05)。物理混合物L0/2和HA0/3的礦化行為與其各組分礦化總量相等。

圖5 從Guanella泥炭(GP)，Poinsett土壤(PS)，Pahokee泥炭(PP)和風化褐煤(LEO)分離出的自組裝樣品及其相應物理混合物的礦化率Fig.5 Mineralization of self-assembled samples and their corresponding physical mixtures, L 0 vs L 0/2 (a); HA 0 vs HA0/3 (b) isolated from Guanella peat (GP), Poinsett soil(PS), Pahokee peat (PP) and leonardite (LEO)

2.4 生物降解下有機質(zhì)樣品化學組成的變化

用13C固態(tài)核磁共振光譜對培養(yǎng)125天后的有機質(zhì)進行表征，并與培養(yǎng)前的樣品進行比較，評估每個樣品化學組成的變化。計算每個樣品培養(yǎng)前后相對的碳類型分布作為每個峰區(qū)所占面積與光譜分析總面積的比例，這一比例和總有機碳被用于后面計算培養(yǎng)前后樣品中碳類型的絕對量。培養(yǎng)前后從Guanella泥炭、Poinsett土壤、Pahok ee泥炭、風化褐煤4種材料中分離出的自組裝樣品(H A0，L0)、物理混合物(H A0/3，L0/2)及組分(HA1，HA2，L1)的碳類型分布見圖6。

礦化后，H A0樣品中烷基碳和氧烷基碳減少。從Guanella泥炭、Poinsett土壤、Pah ok ee泥炭提取的H A0樣品中烷基碳和氧烷基碳減少50%～60%，而從風化褐煤提取的H A0中約減少20%。培養(yǎng)125天后，H A0樣品中未發(fā)現(xiàn)芳香碳和羧基碳的變化。

培養(yǎng)前后的4種材料組分中烷基碳和氧烷基碳也表現(xiàn)出了明顯且一致性的降低趨勢。大多數(shù)H A1組分未觀察到其余碳類型的其他變化。L0中各類型碳均有所降低，包括芳香碳和羧基碳，其中，L0中有1/3的芳香碳和平均40%的羧基碳均被礦化。H A2組分中烷基碳和氧烷基碳降低，4個樣品中的芳香碳均降低，而H A2的羧基碳未發(fā)現(xiàn)變化。L1組分的烷基碳降低，而羧基碳有輕微增加趨勢。

培養(yǎng)125天后，L0與物理混合物L0/2的碳類型分布不完全相同。其中，物理混合物L0/2的烷基碳和氧烷基碳均降低，大部分物理混合物L0/2的芳香碳沒有發(fā)生變化，且羧基碳呈現(xiàn)出不明顯的降低。物理混合物H A0/3的碳類型分布狀況與HA0樣品相同。

試驗開始時樣品有機質(zhì)和培養(yǎng)125天后樣品剩余有機質(zhì)存在差別，可能是由于存在優(yōu)先礦化和(或)生物量的形成兩種過程，而已使用的分析不能區(qū)分出具體為哪種過程。由于核磁共振光譜中沒有出現(xiàn)新的特征峰，培養(yǎng)后的樣品有機質(zhì)中未檢測到羧基/氨基碳類型(例如核磁共振光譜中160～220 p p m)的增加，因此，我們推測優(yōu)先礦化是主要過程。在Qi等(2004)的試驗研究中也證實了在垃圾堆肥時，用微生物菌群降解腐植酸，優(yōu)先礦化的是烷基碳。

圖6 培養(yǎng)前后從Guanella泥炭(a)、Poinsett土壤(b)、Pahokee泥炭(c)、風化褐煤(d)中分離出的自組裝樣品(HA0，L0)、物理混合物(HA0/3，L0/2)及組分(HA1，HA2，L1)的碳類型分布

3 討論

3.1 自組裝對有機質(zhì)樣品微生物降解的影響

先前的研究認為，非化學特性因素對SOM的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。MacCarthy和Rice(1991)認為，SOM的異質(zhì)性是其長久存在于環(huán)境中的主要原因，且提出其分子的不規(guī)則性使微生物處于混亂的分子環(huán)境中，這種混亂可能搶占SOM作為模板引導生物后代快速利用其作為能源或營養(yǎng)來源而進化；Almendr os和Dor ado(2009)也認為SOM具有復雜性，提出其難以降解的原因在于材料的無序結構和重復單元的缺失；Puglisi等(2009)也指出了SOM結構的復雜性，并認為能夠解釋SOM穩(wěn)定的原因是其聯(lián)合的強度而不是特定分子組成的差異；Pap a等(2010)將SOM的穩(wěn)定性歸因于其納米結構，且提出降解性與微孔率相關。以上研究結果分析的SOM樣品化學組成不同，因此，他們的分析結果不能從其他影響因素中分離出化學成分的影響。

然而在本研究中，我們能夠從僅在組織程度上存在差異的樣品中，通過直接的數(shù)據(jù)比較，分離出對礦化產(chǎn)生影響的組織。

通過每種材料中L0和HA0與其相應的物理混合物(分別為L0/2和H A0/3)的礦化比較研究，發(fā)現(xiàn)自組裝增強礦化。自組裝樣品的礦化程度與其相應物理混合物相比，高達70%。礦化增強趨勢與自組裝程度取決于熱容量變化的趨勢一致(圖8)。熱容量變化越大，樣品的自組裝程度越高，其比相應物理混合物的礦化程度越高。

有機質(zhì)的組織程度不但影響碳的礦化量，也對微生物有機體消耗碳的類型有一定影響。對如Poinsett土壤和Pahokee泥炭中的L0等原始自組裝樣品而言，所有類型的碳均發(fā)生了礦化，而其相應的物理混合物中僅發(fā)生了脂肪族和烷基碳的礦化，因此，我們可以假設，自組裝越多，發(fā)生的碳優(yōu)先礦化越少。究其原因在于，微觀世界中微生物1次只能利用1個納米結構。然而，由于沒有短期礦化的數(shù)據(jù)，不能排除動力學效應，即可能是由于碳礦化初期主要消耗脂肪族和氧烷基碳，而后期主要利用芳香族和羧基碳。

圖8 在不同自組裝程度(ΔC p = C p自組裝-C p混合物，C p表示熱容量)下自組裝樣品(HA0，L0)的礦化變化率(百分比變動)Fig.8 Variation of mineralization (percentage change) with the extent of self-assembly (ΔC p = C pself-assembled-C p mixture,where C p is the heat capacity) for the self-assembled samples (HA 0, L 0)

3.2 化學成分對有機質(zhì)樣品微生物降解的影響

本研究主要通過比較結構組成未受到影響的樣品，例如物理混合物L0/2和H A0/3，以及HA1、HA2和L1組分，來研究化學成分對微生物降解有機質(zhì)樣品的影響。通過分析13C核磁共振測得的相關參數(shù)如碳類型含量和有機質(zhì)疏水性指數(shù)得到樣品的生物降解相關性。

微生物降解程度與芳香碳相關性最好(圖9)，R2值為0.498。研究結果表明，芳香族化合物從占總有機碳的60%降至10%，而礦化量則增加了70%。其他碳類型或疏水性指數(shù)均與礦化程度不相關。

自組裝樣品之間的比較結果表明，13C核磁共振測得參數(shù)間不存在相關性，且不隨樣品芳香性而變(圖9)。這表明，化學成分對自組裝樣品礦化的影響有限，但對非自組裝或自組裝程度有限的樣品起影響作用，這可能填補了化學成分影響碳穩(wěn)定性研究的空缺。對高度自組裝系統(tǒng)而言，化學成分可能并非是影響SOM微生物降解的直接原因，然而，卻不能排除化學成分對各組分自組裝的間接作用，以上推測有待進一步研究。

圖9 非自裝組腐植酸樣品(物理混合物L0/2和HA0/3，以及組分HA1，HA2和 L1)礦化隨芳香碳含量的變化Fig.9 Variation of mineralization with aromatic carbon content for humic acid samples without organization (mixtures L 0/2, HA 0/3, and fractions HA 1, HA 2, and L 1)-fi lled symbolsand for self-assembled samples (L 0)

3.3 碳穩(wěn)定性的意義

本研究結果表明，與化學成分相比，SOM自組裝程度對其礦化作用影響更大，但化學成分對SOM礦化的影響研究尚欠缺。由于土壤和SOM的化學復雜性及外界環(huán)境如有機質(zhì)投入、p H、濕度、溫度和微生物活性等變化，SOM自組裝更可能是一個動態(tài)的過程。因此，自組織程度變化比SOM的化學成分變化更容易在短時間內(nèi)發(fā)生。

有報道表明，腐植酸對不同微生物種群的抗降解能力不同。本研究中僅使用了單一的接種體，還需考慮不同種類微生物的作用以及不同來源材料樣品礦化作用的比較。

假設腐植酸原始樣品與其相應物理混合物僅為自組裝程度不同，假定溫和的提取步驟未引起各成分中化學性質(zhì)的改變，致使氫鍵鍵合能力和疏水性相互作用較弱。原始樣品和物理混合物樣品核磁共振光譜分析結果類似，提取過程中碳的回收率高，證實了以上假設的正確性。然而，因SOM具有寬泛的核磁共振峰，本試驗中不排除未被檢出的小變化。雖然本研究中使用的方法是成功的，最大限度地減少了這些潛在影響，但是擴大這些結論的適用性是一個很有前景的研究領域。

致謝和參考文獻(略)