自组装和化学成分对腐植酸矿化影响的比较

自组装和化学成分对腐植酸矿化影响的比较_2014年论文集

自组装和化学成分对腐植酸矿化影响的比较

Moustafa M.R.Khalaf1，2　Gabriela Chilom1　James A.Rice1　著　张水勤3　袁亮3　译

(1　南达科塔州立大学化学与和生物化学系　美国　57007　2　米尼亚大学理学院化学系　埃及　61519　3　中国农业科学院农业资源与农业区划研究所　北京　100081)Comparison of the Effects of Self-assembly and Chemical Composition on Humic Acid Mineralization

摘　要：本研究的目的在于定量评估有机质自组装对其抗微生物矿化作用的影响。从风化褐煤、两种泥炭和一种矿质土壤中分离出的腐植酸被用作有机质样品，因为其来源和有机成分性质提供了一个广泛的变化范围。以苯-甲醇为提取剂，将原始的腐植酸样品分解成为腐植酸组分和腐植酸-脂质复合物；用碱溶液从腐植酸-脂质复合物中进一步提取出两性腐植酸组分和脂质组分。根据以上各组分在腐植酸中的准确比例，混合各自固体组分，制成与自组装样品化学成分一致的物理混合物。添加原始的腐植酸及其相应的混合物为唯一的碳源，使用矿质土壤中分离出的菌株开展独立的有氧培养试验。矿化培养125天后，自组装样品矿化量比相应的物理混合物高70%。13C固态核磁共振光谱所得的碳类型分布和疏水性指数结果表明，自组装样品的矿化程度与其化学成分不相关。物理混合物和组分的矿化程度因化学成分而不同，且存在着烷基碳优先矿化的现象。以上研究结果表明，腐植酸的微生物矿化与其自组装程度有关。

关键词：土壤有机质　腐植酸　自组装　矿化　热容量　核磁共振　测热法

Moustafa M.R.Khalaf1,2,  Gabriela Chilom1 , James A.Rice1 write,  Zhang Shuiqin3 , Yuan Liang3 translate

(1　Department of Chemistry and Biochemistry, South Dakota State University, Brookings, SD 57007, USA　2 Department of Chemistry, Faculty of Science, Minia University, Minia 61519, Egypt　3 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS, Beijing, 100081)

Abstract: The purpose of this study was to quantitatively assess the effect of organic matter self-assembly on its resistance to microbial mineralization.Humic acids isolated from leonardite, two peats and a mineral soil were used as organic matter samples because they provide a broad range of variability in terms of origin and the nature of their organic components.Using a benzene-methanol extraction the original humic acid samples were disassembled into humic components and a humic-lipid composite.The composite was further disassembled by using an alkaline aqueous extraction into humic amphiphilic and lipid components.Mixtures that reproduced the composition of self-assembled samples were prepared by mixing the solid individual fractions in the exact proportions that they were present in the original material.The original humic acid and their corresponding mixtures were added as the sole carbon source in separate aerobic cultures containing a microbial consortium isolated from a mineral soil.After incubation for 125 days mineralization of the self-assembled samples was shown to be higher by as much as 70% compared to their corresponding physical mixtures.The extent of mineralization of the selfassembled samples was not correlated to chemical composition base on the carbon-type distribution or hydrophobicity index derived from 13C solid-state NMR spectra.Mineralization of the physical mixtures and fractions did vary with chemical composition and was accompanied by preferential mineralization of alkyl carbon.These results suggest the microbial mineralization of humic acids is related to their self-assembly.Key words: soil organic matter; humic acid; self-assembly; mineralization; heat capacity; nuclear magnetic resonance; calorimetry

天然的有机质是陆地生态系统中最大的碳库；土壤有机质(SOM)是生物碳库的4倍之大。SOM矿化向大气中排放的CO2比人为活动的排放量高一个数量级，这使得人们对SOM持久性的研究兴趣增加，并使通过土壤碳循环模型预测土壤及地表环境中SOM持久性方面的研究得到了长足的发展；而目前对调控SOM持久性分子过程的理解水平却限制了这些模型预测SOM对环境变化的长期响应能力。这些模型大部分通过用生物学稳定性(不稳定、稳定、难破坏和惰性)、分解速率(快速、中速和慢速)和周转时间(短、长、很长)定义的碳库中的至少3个来描述SOM参与碳循环的过程。以上模型基于有机组分抗分解的主要原因是其化学结构的抗性作用机制。最近的研究挑战了抗性的概念且引入了一个新的基本概念来解释有机质存在的持久性，这种新兴的观点强调了仅有分子结构不能解释SOM的持久性，还需要考虑有机质与环境之间的交互作用。

最新的SOM分子集合模型也是基础概念的一部分，其强调了有机质组分之间及其与矿物质的交互作用而非这些组分的自身化学组成特性。Wershaw(1994)认为SOM是“膜模型”中以溶液中的微团形式、土壤和沉积物中的包裹矿物颗粒双层膜形式存在的有序集；Piccolo(2001)提出了“超分子”模型，认为SOM是因分子间作用力和多分子间复杂性而异的较小分子聚集的超分子集合构造；Kleber等(2007)引入了“带状模型”，即SOM是多种以离散序列吸附在矿物表面的两性分子构成的混合物；Chilom和Rice(2009)认为SOM具有自然分层自组装或自组织的系统，该系统中各组分通过范德华力、氢键和疏水性等相互作用，以及以非共价或弱的交互作用有序排列。通过改变各组分之间的交互作用环境条件能够影响自组装过程。自组装和非自组装腐植酸热容量之间的比较，能够为SOM的自身组成提供直接依据。

组装材料的特性差异和其不同于原材料的行为能力是自组装的特征之一。例如，Salloum等 (2001)对天然有机质样品进行分级结果表明，标准有机碳1-萘酚的吸附系数(K0C)不同于其原材料。在SOM组织状态和微生物降解持久性方面数据的缺乏可能是决定环境中有机质稳定性的关键因素。

本文的研究目的是通过区分有机质化学成分中组织的影响，定量评估有机质自组装对其微生物矿化作用的影响。文中进行了以下比较：1)样品的矿化是在同一原材料下的具有相同化学成分的样品进行的物理混合，来确定对自组装的影响；2)以化学成分和自组装作为变量影响矿化的相对重要性。该方法为有机质的组成状况如何影响SOM的稳定性和如何运用以上影响增加有机质在土壤中的残留时间提供了信息与线索。

1　材料与方法

1.1 有机质样品

本研究中所使用的原材料分别为：国际腐殖质学会提供的风化褐煤(Lot no.BS104L)；国际腐殖质学会提供的Pahokee泥炭(Lot no.BS103P，采自美国科罗拉多中部的一种被归类为Cryohemist的泥炭土)；一种被归类为细粉质的，混合了Udic Haploborolls的矿质土。后两种土壤分别代表了Guanella Pass(GP)泥炭和Poinsett粉壤土。以上材料提取的腐植酸化学成分(如，风化褐煤的NMR光谱结果表明，其腐植酸中几乎仅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类型分布)变化较大，这也是选取其作为研究材料的原因。

通过传统的碱提取方法从以上材料中提取自组装有机质。没有进一步处理的原始腐植酸样品为HA0。根据Chiolom等(2009)的提取步骤，按Soxhlet提取法：用苯:甲醇共沸混合物(3:1，v:v)保持72 h，提取出组分L0；L0移除后，HA0提取后的组分为HA1。之后用碱浸提L0组分，以进一步分离，获得两性组分HA2和脂质组分L1。具体分级见图1。

图1　从原材料中分离腐植酸(HA0)及其组分(HA1, L0, HA2, L1)的步骤示意图

Fig.1 Schematic diagram of the procedure to isolate humic acid (HA0)and its fractions (HA1, L0, HA2, L1)from source materials.

每个样品的碳质量平衡，计算初始物料中每种组分的丰度。根据碳质量平衡，按严格的比例，混合各自最初状态下的组分，从而分别得到HA0和L0的物理混合物。第一种混合物为与HA0相对应的HA0/3，是HA1、HA2和L1的混合物；第二种混合物为与L0相对应的L0/2，是HA1和L1的混合物。

运用日本岛津公司总有机碳分析仪测定所有样品中有机碳含量。该仪器的工作原理是：自由CO2气流作用下，有机质催化氧化，通过红外吸附测定CO2的量得到样品中有机碳含量。

1.2　矿化试验

按以下方法配制营养液：3 g NaNO3、1 g KH2PO4、0.5 g MgSO4·7H2O和0.01 g FeSO4溶于1L无菌去离子水。按照先前步骤中所描述的以有机质样品充当该试验的唯一碳源，即将70～100 mg干的有机质样品添加至装有100 mL营养液的250 mL玻璃瓶中。由于该溶液包含先前配好的0.1 M NaOH，因此该溶液最终pH为7.5。玻璃瓶旋盖用硅/聚四氟乙烯材质，气体进出口用聚四氟乙烯管填充。每天通过进口管向玻璃瓶通入CO2自由气体15 min，而此时出口管保持打开状态以维持培养试验期间的有氧环境。其他时间，通过两个方向的真空关闭该系统。

从新鲜的Poinsett土样中获得菌剂，4 ℃保存，备用。土壤样品中加100 mL无菌去离子水，制成悬液，往复式振荡机剧烈过夜振荡。该悬浮液用微量的葡萄糖(0.5 g/L)浓缩，置于暗处，37℃条件下保存24 h。用一次性的无菌注射器分取0.5 mL该悬浮液，通过硅/聚四氟乙烯管分别加入每个含有SOM和营养液的玻璃瓶中。每个有机质样品和对照(对照仅有营养液和SOM溶液)均设置3个重复，暗处将其置于回旋式振荡器室温下振荡125天。通过瓶盖封口片用无菌注射器定期从瓶中移出少量的培养液以测定pH，保证试验处于恒定的环境；同时，运用连续的稀释和Czapek-Dox琼脂板固定检测细菌的生长状况。

培养后期，3个重复的溶液合成1个，并用HCl酸化。将上述溶液离心过滤以分离出沉淀中的有机质，45 ℃下真空电炉干燥后，研成粉末，称重并测定其有机碳含量。通过计算有机碳初始量和培养后的量的差别，得出矿化量，以初始有机碳含量的百分数表示。根据初步短期矿化试验结果，风化褐煤和GP泥炭的标准偏差低于10%。由于以上样品不进行其他的分析，因此，分别对每个样品短期矿化试验碳含量进行了3次测定。

1.3　13C固态核磁共振光谱

主要碳组分的相对丰度用13C固态核磁共振光谱检测，从而了解培养前后有机质样品的化学构造。检测仪器为布鲁克公司的Avance 300光谱仪，在频率为75 MHz和高速旋转(13 kHz)条件下，与通过TOSS试验中CP/T1获得的T1C修正相结合，用直接偏振魔角旋转(DPMAS)记录13C核磁共振光谱结果。有机质样品直接决定了DPMAS的循环延迟时间，在3～6 s之间。将样品塞入聚三氟氯化乙烯盖子、直径为4 mm的氧化锆转子里，如果样品量有限，可向转子中加入铝土等惰性材料以确保样品位于探测器线圈之内。通过以下化学位移区域整合13C核磁共振光谱以确定碳组分含量：0～50 ppm，烷基碳；50～108 ppm，氧烷基碳；108～160 ppm，芳香碳；160～212 ppm，羧基/羰基碳(运用软件扩充光谱仪操作系统)。有机质的疏水性指数以(烷基碳+芳香碳)与(烷氧基碳+羧基碳)的比率计算。

1.4　差示扫描量热法

用装有LTC-50低温冷却组件的日本岛津公司DSC-50差示扫描量热仪开展差示扫描量热法试验，用铟和锌标准物的熔解温度和人造蓝宝石(NISST SRM 720)的热容量校准仪器。通过三次连续的测定结果得到样品的热容量，其中，第一次测量池为空，第二次用参考材料(人造蓝宝石)充满，第三次用需要检测的样品充满，整个测定过程中参比池均为空。每个试验从测定开始到最终结束温度，加热速度为5 ℃/min，从10℃升至70℃，且保持等温时间5 min。为确保痕量水分或有机溶剂的移除，所有样品均置于60 ℃真空电炉中保存24 h，称重，预热(以20 ℃/min的速度将温度从室温升到100 ℃，并保持30 min)。所有的试验均用未封口的标准铝池。

2　结果

2.1　有机质样品的组成

每个HA0及其组分的13C DPMAS固态核磁共振光谱如图2所示。烷基(0～50 ppm)、氧烷基(50～108 ppm)、芳香族(110～160 ppm)和羧基/羰基(160～220 ppm)的光谱区域均出现了宽且明显的碳峰。烷基区域的面积受29 ppm处的峰所控制，表明长链聚亚甲基结构的存在。此外，在15和20 ppm处还出现了其他双峰，这是由于短链碳氢化合物和长链烷类聚合物的末端碳原子存在的缘故。在氧烷基区域72 ppm处出现了共振现象，表明了糖类、纤维素、乙醇和(或)醚的存在；50～60 ppm处是甲氧基、次甲基和季碳的特征峰；肩峰的存在通常归因于陆生材料中木质素的存在。芳香碳共振区域主要受129 ppm处峰值的影响，该峰值的出现表明未被取代的和被烷基取代的芳香碳的存在。145～162 ppm化学位移处的共振说明了酚碳的存在。羧基碳区域的主要峰值位于172 ppm处，表明了羧基、酯和氨基化合物碳的存在。

原始腐植酸样品(HA0)中，不同的碳类型分布规律揭示了样品之间的异同之处。四种原始HA0样品除风化褐煤外其他样品中羧基/羰基碳相对含量相似，氧烷基碳含量的情况与此规律一致。Guanella腐植酸中的烷基碳含量最高，为41%；而其他HA0样品中烷基碳含量相似，约为15%～20%。风化褐煤腐植酸中芳香碳含量最高，为56%；而Pahokee泥炭、Poinsett土壤和Guanella泥炭中芳香族碳的含量依次降低，分别为43%、34%和19%。

以有机溶剂和水为浸提剂，浸提得到HA0中不同碳类型的分布，见表1。有机溶剂可浸提出16%～30%以有机酸脂质混合物L0形态存在的碳。该浸提过程提取了约一半的烷基碳和三分之一的其他类型碳。因此，HA1的烷基碳有所减少，但芳香碳的相对含量高于原始HA0样品。四种材料中HA1形态与HA0样品具有变化趋势一致的芳香性。用水浸提L0混合物能够从两性的腐植酸分子中分离出脂质腐植酸组分。该脂质组分含有特定的烷基碳(其主要光谱位于烷基峰处)，而HA2组分的光谱结果则表征了烷基、烷氧基和羟基/羧基碳的存在，且HA2组分中烷基碳的相对含量高于原始腐植酸样品。

自组装样品(HA0和L0)及其相应混合物(HA0/3和L0/2)的碳类型分布见表2。试验结果表明，自组装样品及其相应的物理混合物的试验误差完全一致；它们化学成分相似，表明提取过程中其化学成分没有发生大的变化，因此有机质的化学改性使微生物降解行为出现差异的可能性极小。

2.2　有机质样品的自组装

材料的比热容与其结构直接相关，因此，先前研究中，我们提出可运用比热容来获取复杂的可溶性有机碳中的结构信息。原始的自组装腐植酸(HA0)及其对应的物理混合物比热容的比较测定结果表明腐植酸有连续两个的组织结构。L0是第一层次，其是两性分子HA2和类脂L1交互作用合成的材料。HA0是第二层次，其是L0和HA1交互作用的结果。第一层次的特征是比热容增加，而第二层次的比热容则降低(见表3)。热容的减少被普遍认为是分子间相互作用的增加或交联，从而使结构更加紧实、柔韧度变差。Larson等(1997)认为，低品位煤暴露在溶胀溶剂中形成一个高度相关的结构，其热容量增加。与相对应的扩展部分(即体积)相比，纳米晶体材料表面能部分对系统整体能量贡献更大，因此，其被观察到热容量增加。Chilom和Rice(2009)认为第一有机质组织层次(L0的产物)热能的增加是由于纳米级结构L0的形成，因此，L0和HA0的样品测定结果均支持自组装结构的形成和比热容变化。与HA0样品相比，L0样品的比热容变化更大，表明这些样品结构组成更为广泛。

图2　腐植酸(HA0)及其组分(HA1, L0, HA2, L1)的13C DPMAS固态核磁共振光谱

Fig.2 13C DPMAS solid state NMR spectra of samples of humic acid (HA0)and its fractions (HA1, L0, HA2, L1)derived from Guanella peat (a), Poinsett soil (b), Pahokee peat (c)and leonardite (d)
注：腐植酸及其组分来源(a)Guanella泥炭，(b)Poinsett土壤，(c)Pahokee泥炭，(d)风化褐煤。

表1　不同来源的腐植酸样品中有机质组分分布百分比*

注：*分布规律是根据分级提取步骤中每一步碳质量平衡计算腐植酸中总有机碳百分比；a表示分级后腐植酸中总有机碳百分比。

表2　从13C DPMAS核磁共振光谱计算得到的自组装样品及其相应物理混合物的相对碳类型分布*

注：13C核磁共振总峰面积的百分比，括号内数据表示标准偏差。

表3　20～50℃范围内自组装样品及其相应混合物平均比热容(CP)的差异

注：CP为比热容。

2.3　样品的矿化

溶解性有机质样品作为单一碳源培养125天后，其被土壤微生物矿化的程度存在差异，试验测得的矿化值恰好在关于土壤腐植酸微生物降解研究测得值的范围内。

四种材料HA0样品的矿化表现出较大的变化(见图3)。Guanella泥炭的HA0样品碳矿化比最高，为43%；随后是Poinsett土壤、Pahokee泥炭和风化褐煤的，分别为28%、18%和6%。

各组分比较结果(见图4)表明，所有材料中L0的矿化程度最高，占总有机碳的35%～43%。两性组分HA2和脂质组分L1的矿化程度分别为20%～44%和13%～30%。微生物似乎对每种材料中HA1组分的利用最少，整个试验中该组分仅有4%～26%发生了矿化。

图3　从Guanella泥炭(GP)， Poinsett土壤(PS)，Pahokee泥炭

(PP)和风化褐煤(LED)分离出的腐植酸(HA0)样品的矿化率Fig.3 Mineralization of humic acid(HA0)samples isolated from Guanella peat(GP), Poinsett soil(PS), Pahokee peat(PP)and leonardite(LEO)
注：误差线代表标准偏差，下同。

图4　分离出的各腐植酸组分(HA1，L0，HA2和L1)的矿化率
Fig.4 Mineralization of humic acid fractions (HA1, L0, HA2, and L1)isolated from Guanella peat (a), Poinsett soil (b), Pahokee peat (c)and leonardite (d)

注：腐植酸组分来源(a)Guanella泥炭，(b)Poinsett土壤，(c)Pahokee泥炭，(d)风化褐煤。

研究中L0混合物的矿化程度高于其相应的混合物(L0/2)(见图5a)。HA0的连续矿化模式高于HA0/3混合物(见图5b)，尽管4个样品中有3个的差异均未达到显著水平(P=0.05)。L0/2和HA0/3的混合物矿化行为与其各组分的矿化总量相等。

2.4　生物降解下有机质样品化学组成的变化

用13C固态核磁共振光谱对培养125天后的有机质进行表征，并与培养前的样品进行比较，评估其化学组成的变化。计算每个样品培养前后相对的碳类型分布作为每个峰区所占面积与光谱分析总面积的比例，这一百分比和总有机碳后面被用于计算培养前后样品中碳类型的绝对量。具体见图6。

图5　从Guanella泥炭(GP)，Poinsett土壤(PS)，Pahokee泥炭(PP)和风化褐煤(LEO)分离出的自组装样品及其相应物理混合物的矿化率

矿化后，HA0样品中烷基和氧烷基碳减少。Guanella泥炭，Poinsett土壤，Pahokee泥炭的HA0样品中烷基和氧烷基碳减少50%～60%，而风化褐煤HA0中约减少20%。培养125天后，HA0样品中未发现芳香碳和羧基碳的变化。

其他组分中烷基和氧烷基碳也表现出了明显且一致性的降低。大多数HA1组分未观察到其余碳类型的其他变化。L0混合物中各类型碳均有所降低，包括芳香碳和羧基碳，其中，L0混合物中有1/3的芳香碳和平均40%的羧基碳均被矿化。HA2组分中烷基和氧烷基碳降低，四个样品中有两个的芳香碳降低，而HA2的羧基碳未发现变化。L1组分的烷基碳降低，而羧基碳有轻微增加趋势。

培养后，L0/2混合物与L0的碳类型分布不完全相同。其中，L0/2混合物烷基和氧烷基碳均降低，大部分L0/2混合物芳香碳没有发生任何变化，且羧基碳呈现出不明显的降低。HA0/3混合物的碳类型分布状况与HA0样品相同。

试验开始时和培养125天后剩余的有机质存在差别，可能是由于存在优先矿化和(或)生物量的形成，而已使用的分析不能区分这两种过程。由于核磁共振光谱中没有出现新的特征峰，培养后的有机质样品没有检测到羧基/氨基碳类型(例如核磁共振光谱中160～220 ppm)的增加，因此，我们推测优先矿化是主要的过程。Qi等(2004)的研究结果也证实了在垃圾堆肥时，用微生物菌群降解腐植酸优先矿化的是烷基碳。

3　讨论

3.1　自组装对有机质样品微生物降解的影响

先前的研究认为，非化学特性因素对SOM的稳定性产生重大影响。MacCarthy和Rice(1991)认为，SOM的异质性是其长久存在于环境中的主要原因，且提出其分子的不规则性使微生物处于混乱的分子环境中；这种混乱可能抢占SOM作为模板引导生物后代能够快速利用其作为能源或营养来源而进化；Almendros和Dorado(2009)也认为SOM具有复杂性，提出其难以降解的原因在于材料的无序结构和重复单元的缺失；Puglisi等(2009)也指出了SOM结构的复杂性，并认为能够解释SOM稳定的原因是其联合的强度而不是特定分子组成的差异；Papa等(2010)将SOM的稳定性归因于其纳米结构，且提出降解性与微孔率相关。以上研究结果分析的SOM样品化学组成不同，因此，他们的分析结果不能从其他因素中分离出化学成分的影响。

图6　培养前后分离出的自组装样品、物理混合物及组分的碳类型分布

Fig.6 Carbon-type distribution of self-assembled samples(HA0, L0), physical mixtures(HA0/3, L0/2)and fractions(HA1, HA2, L1)isolated from Guanella peat (a), Poinsett soil (b)before adding the inoculum(initial)and at the end of incubation period(final)
注：自组装样品、物理混合物及组分的来源(a)Guanella泥炭，(b)Poinsett土壤。

图6续　培养前后分离出的自组装样品、物理混合物及组分的碳类型分布

Fig.6 Carbon-type distribution of self-assembled samples(HA0, L0), physical mixtures(HA0/3, L0/2)and fractions(HA1, HA2, L1)isolated from Pahokee peat (c)and leonardite (d)before adding the inoculum(initial)and at the end of incubation
period(final)
注：自组装样品、物理混合物及组分的来源(c)Pahokee泥炭，(d)风化褐煤。

然而在本研究中，我们能够通过在仅组织程度存在差异的样品中进行直接的数据比较，分离出对矿化产生影响的组织。

通过每种材料中L0和HA0与其相应的物理混合物(分别为L0/2和HA0/3)的矿化比较研究，发现自组装增强矿化。自组装样品的矿化程度与其相应物理混合物相比，高达70%。矿化增强趋势与自组装程度取决于热容值变化的趋势一致(见图7)。热容量变化越大，样品的自组装程度越高，其比相应物理混合物的矿化程度越高。

图7　自组装样品(HA0，L0)在不同自组装程度(ΔCp = Cp自组装-Cp混合物，Cp表示热容量)下的矿化变化率(百分比变动)

Fig.7 Variation of mineralization (percentage change)with the extent of self-assembly(ΔCp = Cpself-assembled-Cpmixture, where Cp is the heat capacity)for the self-assembled samples (HA0, L0)
注：图中圈用来将样品分为自组装程度低、有限矿化的样品组和自组装程度高、高度矿化的样品组。

有机质的组织程度不但影响碳的矿化量，也对微生物有机体消耗碳的类型有一定影响。对如Poinsett土壤和Pahokee泥炭中的L0等原始自组装样品而言，所有类型的碳均发生了矿化，而其相应的物理混合物中仅发生了脂肪族和烷基碳的矿化，因此，我们可以假设，自组装越多，发生的碳优先矿化越少。究其原因在于，微观世界中微生物一次只能利用一个纳米结构。然而，由于没有短期矿化的数据，不能排除动力学效应，即可能是由于碳矿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。

3.2 化学成分对有机质样品微生物降解的影响

本研究主要通过比较结构组成未受到影响的样品，例如物理混合物L0/2和HA0/3，以及HA1、HA2和L1组分，来研究化学成分对有机质样品微生物降解的影响。通过分析13C核磁共振测得的相关参数如碳类型含量和有机质疏水性指数得到样品的生物降解相关性。

微生物降解程度与芳香碳的相关性最好(图 8)，而R2值却仅为0.498。研究结果表明，芳香族化合物从占总碳量的60%降至10%，而矿化量增加了70%。其他碳类型或疏水性指数均与矿化程度不相关。

然而，自组装样品(热容量发生显著变化的样品)之间的比较结果表明，13C核磁共振测得的参数之间不存在相关性，且不随样品的芳香性而变(图8)。以上结果表明，化学成分对自组装样品矿化的影响有限，却对非自组装或自组装程度有限的样品起影响作用，这可能填补了化学成分影响碳稳定性研究的空缺。对高度自组装系统而言，化学成分可能并非是影响SOM微生物降解的直接原因；然而，却不能排除化学成分对各组分自组装的间接作用，以上推测需要进一步进行研究。

图8　非组织腐植酸样品(物理混合物L0/2和HA0/3，以及组
分HA1，HA2和 L1)矿化随芳香碳含量的变化

Fig.8 Variation of mineralization with aromatic carbon content for humic acid samples without organization (mixtures L0/2, HA0/3, and fractions HA1, HA2, and L1)
注：填充满了的标识代表自组装样品L0。

3.3　碳稳定性的意义

本文研究结果表明，与化学成分相比，SOM的自组装程度对其矿化作用的影响更大，但化学成分对SOM矿化的影响研究有所欠缺。由于土壤和SOM的化学复杂性及外界环境如有机质投入、pH值、湿度、温度和微生物活性等的变化，SOM的自组装更可能是一个动态的过程。因此，自组织程度变化比SOM的化学成分变化在短时间内更容易发生。

为了使该研究结果得到广泛证实，以下问题亟需通过进一步研究来解决。有报道结果表明，腐植酸对不同微生物种群的抗降解能力不同，而本研究仅使用了单一的接种体，需要考虑不同种类微生物的作用。使用单一类型的接种物可能不影响同一来源材料样品之间的比较，但需要考虑不同来源材料的样品矿化作用的比较。

以上研究假设腐植酸原始样品与其相应混合物仅为自组装程度不同。研究假定温和的提取步骤未引起各成分中化学性质的改变，氢键结合作用和疏水性相互作用较弱。原始样品和混合物样品核磁共振光谱分析结果类似和提取过程中碳的回收率高，证实了以上假设的正确性。然而，由于SOM具有宽泛的核磁共振峰属性，在我们的试验中不能排除未被检出的小变化。本研究虽然成功地将潜在的影响减到最少，但扩展以上结论的适用性是一个积极的研究领域。

致谢和参考文献(略)

译自：Soil Biology & Biochemistry，2014，73：96～105。