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潮间带湿地环境中铁离子与有机质组分的选择性结合:对铁-有机质保存机制的启示

一、研究背景及目的

沿海湿地是一个极为重要的”蓝碳”库,在全球碳循环和应对气候变化中发挥着关键作用。铁氧化物与有机质(OM)的结合被认为是沿海湿地环境中OM得以长期保存的一种关键机制。然而,关于铁氧化物与OM结合的选择性及其机理在不同的湿地生态系统中尚未完全阐明。本项研究旨在探究OM与铁离子结合时,有机碳/铁比(OC/Fe)、离子强度、OM组分等因素对它们结合方式的影响,期望从分子水平上揭示在红树林及盐沼湿地环境中铁与OM组分选择性结合的机理,为阐释”蓝碳”保存提供新见解。

二、研究方法和流程

该研究采用实验室模拟方法,通过吸附和共沉淀两种方式,在不同OC/Fe比(0.01-9.9)和离子强度(0.5-30 g/L NaCl)条件下制备铁-OM复合物,分别使用红树林和盐沼湿地沉积物中提取的腐殖酸(Humic acids,HAs)作为OM源。研究人员利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、三维荧光光谱(EEM)、衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)、热解气相色谱-质谱(Py-GC/MS)等多种分析技术,系统表征了铁-OM复合物的理化性质及OM组分的存在状态,以揭示OM组分与铁氧化物结合的选择性规律。

三、主要发现

1. OM组分与铁氧化物选择性结合受结合方式、OC/Fe比、OM组分及离子强度的影响。

2. 在吸附过程中,富含脂肪族化合物的OM组分更易被铁氧化物吸附;腐植质荧光组分也优先与铁氧化物结合,这可能与其复杂的芳香族和脂肪族混合结构有关。而蛋白质荧光组分则较难被吸附。

3. 在共沉淀过程中,OC/Fe比较低时,OM中的蛋白质荧光组分和脂肪族化合物更易与铁氧化物结合;OC/Fe比增加时,芳香族化合物的结合比例增加。盐度升高导致更多芳香族和多环芳香族化合物与铁氧化物共沉淀。

4. 与盐沼OM相比,红树林OM中更多含氮化合物、更少脂肪族化合物与铁氧化物共沉淀。可能由于自生源(藻类、细菌等)OM含有更多氮化合物,而铁氧化物在红树林环境中更易保存这些自生源OM。

5. 无论是吸附还是共沉淀,木质素化合物与铁氧化物结合的程度较低,表明铁氧化物难以有效保存这一主要陆源植物来源OM。

四、研究意义及展望

该研究从分子水平上揭示了湿地环境中铁氧化物对OM组分的选择性保存机制,有助于理解”蓝碳”的长期埋藏过程,进而为评估和管理全球湿地碳库提供科学依据。研究发现,由于离子强度影响下,在海水入侵时湿地环境中更多芳香族和多环芳香族化合物会与铁氧化物结合进而沉积,而木质素等陆源植物OM则更难保存。这意味着随着全球变暖导致的海平面上升和盐渍化加剧,湿地OM的组成可能会发生显著变化,对碳库的稳定性产生潜在影响。未来还需结合不同的湿地生态系统和复杂离子条件,进一步探究Fe-OM结合的动力学过程,以完善对”蓝碳”埋藏机制的认识。