近日，由中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究員領(lǐng)銜的農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程研究團(tuán)隊(duì)，在土壤生物地球化學(xué)界面形成過(guò)程的研究中，取得重要的方法學(xué)進(jìn)展。
土壤被形象的稱為地球的皮膚，也是地球上最復(fù)雜的生物物理材料。在土壤微結(jié)構(gòu)中，土壤顆粒表面的生物地球化學(xué)過(guò)程控制著污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝過(guò)程，是土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。 然而，基于物理分離和化學(xué)提取的傳統(tǒng)均一化土壤研究方法，無(wú)法深入對(duì)微環(huán)境中微生物和土壤界面動(dòng)態(tài)相互作用過(guò)程進(jìn)行可控的、細(xì)致的觀察和研究，致使人們對(duì)生物地球化學(xué)元素循環(huán)（如有機(jī)碳循環(huán)）的物理、化學(xué)和生物學(xué)耦合過(guò)程的認(rèn)識(shí)缺乏共識(shí)。如何以過(guò)程為導(dǎo)向探究生物地球化學(xué)界面的形成和功能是當(dāng)前土壤學(xué)科學(xué)研究中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
該團(tuán)隊(duì)博士生黃習(xí)知與華中科技大學(xué)博士生李一偉同學(xué)合作，在吳金水研究員和劉筆鋒教授的共同指導(dǎo)下，對(duì)土壤微界面過(guò)程進(jìn)行探索：采用濕潤(rùn)性圖案化微流控芯片技術(shù)構(gòu)建了800微米的親水微陣列，并將新鮮的土壤懸濁液涂抹到親水點(diǎn)陣中；待水分蒸發(fā)后，土壤自主形成結(jié)構(gòu)均一的土壤微顆粒點(diǎn)陣（SoilChip），隨后采用原始土壤提取的含可溶性土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)；通過(guò)21天的培養(yǎng)試驗(yàn)比較性質(zhì)顯著差異的旱地黑土（Mollisol）和紅壤水稻田（Oxisol）的生物地球化學(xué)界面形成過(guò)程。掃描電鏡能譜結(jié)果顯示不同土壤微界面上的微生物群落結(jié)構(gòu)特征（個(gè)體形貌，大小和數(shù)量）有顯著的差異；同時(shí)，結(jié)合X-射線光電子能譜（XPS），定量了微界面上的主要元素（O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, C, N）的動(dòng)態(tài)過(guò)程，結(jié)果表明，不同土壤之間的元素之間動(dòng)態(tài)差異巨大?；谖⑸锾卣骱驮貏?dòng)態(tài)特征的比較，對(duì)兩種土壤生物地球化學(xué)界面的形成過(guò)程進(jìn)行了初步的討論，發(fā)現(xiàn)水分含量、微生物參與的有機(jī)物轉(zhuǎn)化過(guò)程和礦物組成共同決定了土壤生物地球化學(xué)界面的特異性。
區(qū)別于傳統(tǒng)的基于提取的研究方法，本研究首次提出了一個(gè)可控、動(dòng)態(tài)而直接的土壤微界面研究方法，同時(shí)也可以和豐富的表面表征技術(shù)相結(jié)合，為研究土壤微生態(tài)過(guò)程提供了重要的方法和模型。該研究近期以SoilChip-XPS integrated technique to study formation of soil biogeochemical interface為題，發(fā)表在Soil Biology and Biochemistry上。 唯一的評(píng)審專家認(rèn)為“The weaknesses are outbalanced by the importance to introduce new methods capable of addressing central problems in soil science.”該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目和中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。
基于土壤芯片技術(shù)的生物地球化學(xué)界面研究方法示意圖