亚热带生态所研发土壤芯片技术新方法用于
土壤生物地球化学界面的形成过程

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近日,由中国科学院亚热带农业生态研究所研究员吴金水领衔的农业生态过程研究团队,在土壤生物地球化学界面形成过程的研究中,取得新的方法学进展。

土壤被形象地称为地球的皮肤,也是地球上最复杂的生物物理材料。在土壤微结构中,土壤颗粒表面的生物地球化学过程控制着污染物和营养物质的转运和代谢过程,是土壤生态系统功能的关键驱动因素。然而,基于物理分离和化学提取的传统均一化土壤研究方法,无法深入对微环境中微生物和土壤界面动态相互作用过程进行可控的、细致的观察和研究,致使人们对生物地球化学元素循环(如有机碳循环)的物理、化学和生物学耦合过程的认识缺乏共识。如何以过程为导向探究生物地球化学界面的形成和功能是当前土壤学科学研究中的一个重要挑战。

该团队博士生黄习知与华中科技大学博士生李一伟合作,在研究员吴金水和教授刘笔锋的共同指导下,对土壤微界面过程进行探索:采用湿润性图案化微流控芯片技术构建了800微米的亲水微阵列,并将新鲜的土壤悬浊液涂抹到亲水点阵中;待水分蒸发后,土壤自主形成结构均一的土壤微颗粒点阵(SoilChip),随后采用原始土壤提取的含可溶性土壤有机质对其进行培养;通过21天的培养试验比较性质显著差异的旱地黑土(Mollisol)和红壤水稻田(Oxisol)的生物地球化学界面形成过程。扫描电镜能谱结果显示不同土壤微界面上的微生物群落结构特征(个体形貌、大小和数量)有显著的差异;同时,结合X-射线光电子能谱(XPS),定量了微界面上的主要元素(O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, C, N)的动态过程,结果表明,不同土壤之间的元素之间动态差异巨大。基于微生物特征和元素动态特征的比较,对两种土壤生物地球化学界面的形成过程进行了初步的讨论,发现水分含量、微生物参与的有机物转化过程和矿物组成共同决定了土壤生物地球化学界面的特异性。

区别于传统的基于提取的研究方法,该研究首次提出了一个可控、动态而直接的土壤微界面研究方法,同时也可以和丰富的表面表征技术相结合,为研究土壤微生态过程提供了重要的方法和模型。该研究近期以SoilChip-XPS integrated technique to study formation of soil biogeochemical interface为题,发表在Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院战略先导专项项目和中科院亚热带生态所青年创新团队等项目的资助。

论文链接

基于土壤芯片技术的生物地球化学界面研究方法示意图

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责任编辑: 范琪