黃菖蒲根際低分子量有機酸對土壤吸附氨氮的影響

李海波, 趙孝明, 李英華, 陳 熙

(東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

土壤的機械組成與理化性質(zhì)均能以吸附的形式影響氨氮遷移.通常,氨氮在土壤中的吸附行為同時由氨氮離子濃度、荷電強度等溶質(zhì)自身特性和土壤中礦物顆粒荷電特征、生物作用等土壤性質(zhì)所決定[1],在這一系列復雜交互過程的作用下,氨氮吸附行為變得極為復雜.

濕地植物根際代謝物質(zhì)對土壤的理化性質(zhì)具有強大的調(diào)控能力,特別是在根際微環(huán)境(rhizosphere micro-environment,RME)中,這種影響可能直接改變氮化合物遷移轉(zhuǎn)化的途徑.

根際分泌物是植物代謝并釋放的一類特殊有機化合物,能通過水動力彌散運輸?shù)竭h離根際的范圍,是根系-根際土壤間交流溝通的橋梁[2],尤其是低分子量有機酸,可直接或間接影響土壤結(jié)合氮的能力及其生物有效性.研究表明:低分子量有機酸在土壤礦物風化、土壤呼吸、根際環(huán)境變化與微生物群落演替等過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用,其機理可解釋為低分子量有機酸的羧基通過中和、水解、絡(luò)合等改變土壤微界面的理化性質(zhì),從而影響根際土壤中C，N，P和金屬離子等營養(yǎng)元素遷移、轉(zhuǎn)化、分布與富集[3].目前,有關(guān)沉積物吸附氨氮的研究較充分,但涉及低分子量有機酸對該過程影響的報道還不多見.喻艷紅等[4]研究表明:紅壤吸附低分子量有機酸受溶液的解離常數(shù)pKa影響,其吸附量與pKa呈嚴格正相關(guān); 季現(xiàn)超等[5]研究生態(tài)溝渠底泥吸附氨氮動力-熱力學時發(fā)現(xiàn),與河道無水生植物情形相比,生態(tài)溝渠底泥對氨氮吸附曲線呈現(xiàn)明顯增大的趨勢.上述研究表明,根際代謝低分子量有機酸能調(diào)控土壤對氨氮的吸附過程.

黃菖蒲(IrisPseudacorusL.)是一種跨緯度普遍應用的典型濕地植物,在維系濕地生態(tài)與水質(zhì)凈化等方面發(fā)揮著重要作用.研究表明：在不同生理期和環(huán)境條件下,黃菖蒲根系均能分泌多種低分子量有機酸,改變根際土壤環(huán)境的酸堿度,從而改變營養(yǎng)元素、重金屬、有機物在水體中的化學形態(tài)及生物有效性[5].同時,低分子量有機酸的羧基能活化土壤膠體、有機質(zhì)與礦物顆粒表面吸附點位,進而影響污染物在根際土壤中的吸附行為[6].

然而迄今,學術(shù)界對黃菖蒲根際代謝的低分子量有機酸如何調(diào)控土壤吸附氨氮還所知甚少.本文通過根際箱連續(xù)培養(yǎng)實驗,提取黃菖蒲根際代謝低分子有機酸,采用GC-MS技術(shù)解析其組分與相對含量; 研究檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、草酸等典型低分子量有機酸對土壤吸附氨氮的熱-動力學,揭示黃菖蒲根際代謝低分子有機酸調(diào)控土壤、吸附氨氮的機理.

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

供試土壤為黃土狀母質(zhì)發(fā)育的棕壤(0～20 cm),采自沈陽農(nóng)業(yè)大學試驗田.供試土壤經(jīng)自然風干,過0.25 mm篩后備用.主要理化性質(zhì):有機質(zhì)25.70 g·kg-1,含水率20%,pH=6.82,全氮2.34 g·kg-1;機械組成(質(zhì)量分數(shù)):砂粒26.86%,粉粒39.41%,黏粒35.12%.

供試植物購自某花卉育植基地,鳶尾屬,黃菖蒲種.

供試低分子量有機酸為分析純,購自國藥集團.

1.2 根際代謝物采樣與預處理

黃菖蒲根際代謝物的提取與衍生化：將黃菖蒲植株從培養(yǎng)液中取出,用超純水沖洗根3～5次,放入根際培養(yǎng)箱,連續(xù)收集12 h根際代謝物,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(40 ℃,90 r/min)，濃縮至200 mL,等分4份,于4 ℃保存?zhèn)溆?將上述樣品轉(zhuǎn)移至凍干瓶,于-80 ℃預凍8 h,再真空冷凍、干燥、凍干2 d,用100 mL超純水溶解后再次凍干,用10 mL預冷甲醇溶解凍干的樣品,轉(zhuǎn)移至試管中,N2吹干,待衍生化.在N2吹干的樣品中加入40 μL甲氧胺鹽酸鹽吡啶溶液(20 mg/mL),于37 ℃反應2 h并振蕩,再加入70 μL MSTFA(N-甲基-N-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺)溶液,于37 ℃反應30 min并同時振蕩,反應完全后,過0.45 μm濾膜,上GC-MS分析.

1.3 根際代謝物質(zhì)譜鑒定

根際代謝物鑒定是基于所檢測到的代謝物的EI質(zhì)譜碎片和數(shù)據(jù)庫中標準物質(zhì)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)的比對.利用Agilent MassHunter Qualitative Analysis軟件對根際代謝物進行識別、提取、濾過和分析,之后與NIST11質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫及有機酸標準品匹配,對匹配度大于70%的植物根際代謝物的鑒定結(jié)果予以認定,獲得定性與定量信息.GC-MS條件參考文獻[7]并作進一步優(yōu)化.Thermo TR5-MS毛細管色譜柱(30 cm×0.32 mm×0.25 μm)的升溫程序：色譜柱先升溫至70 ℃,保持1 min,以1 ℃/min升至76 ℃,再以5 ℃/min升至330 ℃,保持10 min；進樣口溫度保持330 ℃,載氣流速1 mL/min(恒流),EI離子源,進樣量2 μL.

1.4 氨氮吸附動力學試驗

基于GC-MS分析與相關(guān)文獻[4],確定添加低分子量有機酸的最佳濃度.稱取若干份過0.25 mm篩的土樣(1±0.05) g,分別置于250 mL三角瓶中,加入5 mL檸檬酸(1.2 mmol·L-1)、酒石酸(1.2 mmol·L-1)、蘋果酸(1.2 mmol·L-1)和草酸(5 mmol· L-1)，與195 mL的NH4Cl(35 mg·L-1)配制待吸附溶液,再分別加入2～3滴甲苯溶液抑制微生物生長.分別于(25±1)℃，120～140 r/min條件下恒溫振蕩0.25,0.5,1,2,5,8,12,24,48 h,取出三角瓶靜置15 min,取上清液5 mL,過0.45 μm濾膜,測定濾液中氨氮濃度與pH,重復3次.

1.5 氨氮等溫吸附試驗

稱取若干份過0.25 mm篩的土樣(0.5±0.05)g,分別置于250 mL三角瓶中,加入5 mL檸檬酸(1.2 mmol·L-1)、酒石酸(1.2 mmol·L-1)、蘋果酸(1.2 mmol·L-1)和草酸(5 mmol· L-1)，與195 mL的NH4Cl(質(zhì)量濃度分別為0.5，1，3，5，10，15，30 mg·L-1)配制待吸附溶液,再分別加入2～3滴甲苯溶液抑制微生物生長.分別于(25±1) ℃，120～140 r/min條件下恒溫振蕩24 h至吸附平衡,靜置15 min,過0.45 μm濾膜,測定濾液中的氨氮濃度,重復3次.氨氮吸附量計算公式:

Qe=(c0-ct)V/m.

(1)

式中:Qe為氨氮吸附量(mmol·kg-1)；c0為初始濃度(mmol·L-1)；ct為測定濃度(mmol·L-1)；V為溶液體積；m為土壤樣品質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 根際代謝物組成

黃菖蒲根際代謝物的全掃描圖(TIC)如圖1所示.

比對黃菖蒲根際代謝物的TIC圖與植物代謝產(chǎn)物庫NIST11可知,黃菖蒲根際代謝物的大致組成為:草酸、酒石酸等低分子量有機酸類,甘氨酸等氨基酸,葡萄糖、木糖等糖類,甘醇、丙三醇等醇類,其他小分子代謝產(chǎn)物.根據(jù)質(zhì)荷比和相對峰面積可解析出黃菖蒲根際代謝物組分的相對含量,如圖2所示.

由圖2可知,黃菖蒲根際代謝物主要為酸類、醇酮類、糖酶類、氨基酸類與其他產(chǎn)物.酸類是根際代謝物的主要成分,占代謝物總量的59.72%,而有機酸約占酸類總量的15%～30%,其中檸檬酸質(zhì)量濃度1.15～1.512 mg/L,酒石酸質(zhì)量濃度0.675～1.02 mg/L,蘋果酸質(zhì)量濃度0.683～0.924 mg/L,草酸質(zhì)量濃度2.64～4.32 mg/L；其他根際分泌物的量較少.申圓圓[8]研究紅三葉草根際代謝物組成發(fā)現(xiàn),酸類物質(zhì)占根際代謝物總量的59.77%,低分子量有機酸占根際代謝物總量的20%～30%,其他物質(zhì)占比較小; 根際有機酸可酸化根際土壤,促進離子轉(zhuǎn)換或活化土壤養(yǎng)分,提高根際土壤的通透性.Wei等[9]研究表明,根際低分子量有機酸能改變根際微環(huán)境,增強植物與根際土壤協(xié)同降解污染物的效果.上述研究結(jié)果表明，根際代謝有機酸的量與種類能夠深刻影響根際微環(huán)境.

2.2 低分子量有機酸對土壤吸附氨氮動力學的影響

圖3是4種有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮的過程.

由圖3可知,初始0～180 min氨氮吸附量均隨時間增加急劇上升,為快速吸附階段；在180～1 440 min期間吸附量緩慢上升,為慢速吸附階段；在1 440～2 880 min期間吸附量趨于恒定,達到吸附飽和,為動態(tài)平衡階段.氨氮吸附的全過程內(nèi),瞬時吸附速率逐漸減小,吸附量隨時間增加而增大,介于130～170 mmol·kg-1之間.與對照相比,4種低分子量有機酸均可促進土壤吸附氨氮,檸檬酸、蘋果酸、酒石酸和草酸的吸附效果分別提高9.45%,10.3%,6.59 %和1.41%.

圖4為4種有機酸作用下氨氮吸附過程中土壤pH變化的情況.

變膠體荷電特征與配合模式,促進潛在養(yǎng)分的溶解與流通,提高土壤通透性,影響土壤對氨氮的吸附.

為揭示低分子量有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮的機制,開展了吸附動力學模型擬合研究,結(jié)果如表1所示.

在(25±1)℃時,4種動力學方程擬合結(jié)果存在一定誤差,其中Elovich和雙常數(shù)方程擬合效果最佳,一級動力學方程效果次之,拋物線擴散方程效果最差.喻艷紅等[4]認為,如果擬合數(shù)據(jù)與Elovich擬合方程的擬合系數(shù)r2較高,則吸附為非均相擴散過程.由于有機酸含一個或多個羧基,能活化土壤中鐵、鋁等金屬元素,改變土壤荷電特征,同時還受土壤水動力彌散與通透性的影響,進而共同影響對氨氮的吸附.這說明低分子量有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮并非是簡單的一級反應,該過程可能由反應速率與其他因子聯(lián)合控制.

2.3 低分子量有機酸對土壤吸附氨氮熱力學的影響

為進一步了解根際低分子量有機酸調(diào)控土壤對氨氮的吸附機理,研究了低分子量有機酸參與條件下土壤中氨氮的等溫吸附過程.

圖5為4種有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮的熱力學過程.

如圖5所示,當氨氮質(zhì)量濃度介于3～10 mg·L-1時,土壤對氨氮的吸附呈線性相關(guān)，且斜率較大；當氨氮質(zhì)量濃度介于10～30 mg·L-1時,土壤對氨氮的吸附呈非線性相關(guān)，且斜率逐漸變??；隨著氨氮質(zhì)量濃度的增加,土壤吸附的氨氮量逐漸變小,直至達到動態(tài)平衡.Li等[11]研究表明:草酸和檸檬酸與鐵、鋁等金屬元素形成絡(luò)合物的穩(wěn)定性比酒石酸和蘋果酸高,但在后者參與條件下,土壤對氨氮的平衡吸附量比檸檬酸和草酸高；原因是，有機酸含有多個羧基,且為弱酸,在土壤中主要以離子態(tài)形式存在,可能與土壤礦物、土壤金屬氧化物發(fā)生反應,破壞土壤原有的孔隙結(jié)構(gòu),影響土壤水動力彌散過程,從而改變土壤對氨氮的吸附行為.酒石酸參與時,土壤對氨氮的平衡吸附量高于蘋果酸,這可能是由酒石酸羥基、pH與土壤微生物等多因素共同導致的.檸檬酸、蘋果酸、酒石酸對土壤吸附氨氮的等溫吸附線型為H型——高親和力型,草酸對土壤吸附氨氮的等溫吸附線型為L型——低親和力型.低分子量有機酸能增加土壤對氨氮的吸附量,其吸附量從大到小依次為：酒石酸，蘋果酸，檸檬酸，草酸，空白對照組.

表1 低分子量有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮的動力學模型擬合結(jié)果Table 1 Kinetic model fitting results of LMWOAs adsorbing ammonia nitrogen of soil

注：St是t反應時間內(nèi)的吸附量；Sm是最大吸附量；Ka是表觀吸附速率常數(shù)；t是反應時間；R是相對擴散系數(shù)；A,C,a,b為常數(shù).

由表2可知,Langmuir與Freundlich方程的擬合系數(shù)r2均大于0.91,都可以反映低分子量有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮的能力.方程中Sm越高,土壤氨氮的吸附能力越強；KL是表示氨氮與土壤結(jié)合能力的參數(shù),KL值越大,結(jié)合能力越強.4種低分子量有機酸較空白對照組的KL值分別提高0.02,0.04,0.09,0.11,這是由于低分子有機酸可通過酸化、螯合、離子交換與還原等作用促進土壤中難溶組分的生物化學循環(huán),進而活化土壤膠體有效基團,增強土壤對氨氮的固定能力.有機酸種類不同,其對土壤的活化能力也不同.當?shù)头肿恿坑袡C酸攜帶的羧基數(shù)量相等時,土壤吸附氨氮的能力(KL)與有機酸的解離常數(shù)(pKa)呈負相關(guān),其原因見2.2節(jié)所述.

表2 低分子量有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮熱力學的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of thermodynamics of LMWOA regulating soil adsorption of ammonia nitrogen

注：Kf為吸附作用強度.

3 結(jié) 論

1) 利用GC-MS 解析了黃菖蒲(IrisPseudacorusL.)根際代謝物的組分特征與相對含量,其中檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、草酸的質(zhì)量濃度分別為1.15～1.512 mg/L,0.675～1.02 mg/L,0.683～0.924 mg/L,2.64～4.32 mg/L.

2) 黃菖蒲根際代謝低分子量有機酸可活化根際土壤膠體的有效吸附點位,從而促進土壤對氨氮的吸附；與對照相比,4種低分子量有機酸——檸檬酸、蘋果酸、酒石酸和草酸參與時,土壤吸附氨氮的效果可分別提高9.45%,10.3%,6.59 %,1.41%.利用一級反應動力學方程解釋黃菖蒲型濕地土壤吸附氨氮的過程并不準確,表明該過程可能由反應速率和擴散因子聯(lián)合控制.

3) Langmuir等溫吸附方程可更好地描述低分子量有機酸調(diào)控土壤吸附氨氮的過程,當有機酸帶相同數(shù)量的羧基時,土壤吸附氨氮能力(KL)與有機酸解離常數(shù)(pKa)呈負相關(guān); 有機酸對土壤吸附與固定氨氮的能力由低分子量有機酸羧基與羥基共同決定.