根际化学与生物多样性的表征方法:组学技术的机遇与挑战

根际是联结植物、土壤和微生物的重要界面,是化学与生物过程耦合最活跃的区域.根际环境影响土壤中有机和无机污染物的行为,而研究方法的完善与提升有助于阐释根际中复杂的过程与作用机制.本文从传统的化学和生物学方法到新兴的组学技术对根际科学的方法学研究进展进行了综述,重点讨论了当今组学技术在根际研究中应用机遇与挑战,同时展望了今后需要关注的科学问题.根际化学组分的传统分析方法涵盖了光谱、色谱、质谱和色质联用等技术,主要聚焦于低分子量有机酸等小分子的定性定量测定,导致对根际化学多样性的认知偏差;传统的根际微生物研究依赖于培养技术,对微生物多样性的描述存在很大的局限.揭示根际异质性和复杂性,亟需采用高端的技术,组学方法显示出极大的优势,显著提高了研究者对根际科学的认识.基于靶向和非靶向代谢组学有利于深入研究根际复杂的化学多样性过程;基于宏基因组学、转录组学和蛋白组学等组学工具能够提供微生物组基因和蛋白的表达、功能特性等更详细的信息,可以全面地揭示根际微生物的多样性.应该强调的是,未来多组学整合分析更是表征根际化学与生物多样性的一个强有力工具,但需要更多的模型、框架和计算基础来实现根际基因、蛋白、转录和代谢水平的多层次关联,以助于挖掘根-微生物-土壤界面大量尚未揭示的关键过程、机理及生态环境效应.

傅里叶变换离子回旋共振质谱分子表征^(15)N同位素标记羟胺衍生化天然有机质

羟胺化合物是地球氮循环过程中的重要中间产物.天然有机质(NOM)作为环境中普遍存在的复杂有机混合物,对羟胺的环境转化有重要影响.本研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICRMS)在分子层面表征羟胺与NOM的相互作用产物,采用^(15)N同位素标记羟胺作为反应物以排除NOM本身存在的化合物的质谱峰干扰,特异性识别^(15)N同位素标记羟胺衍生化NOM的质谱信号;同时考察了反应时间对NOM与羟胺反应活性的影响.结果表明,NOM与过量^(15)N同位素标记羟胺在室温条件反应下10 h,可以鉴定到2137个^(15)N同位素标记羟胺衍生化NOM产物分子式,其中包括,1个^(15)N同位素标记羟胺分子与1个仅含C、H、O元素的NOM分子反应形成的产物分子式1346个(CHO^(15)N_(1),约占产物分子式总数63%),两个^(15)N同位素标记羟胺分子与一个仅含C、H、O元素的NOM分子反应形成的产物分子式194个(CHO^(15)N_(2),约占产物分子式总数9%),一个^(15)N同位素标记羟胺分子与一个仅含C、H、O和一个S元素的NOM分子反应形成的产物分子式376个(CHOS1^(15)N_(1),约占产物分子式总数18%),一个^(15)N同位素标记羟胺分子与一个仅含C、H、O和一个N元素的NOM分子反应形成的产物分子式221个(CHON_(1)^(15)N_(1),约占产物分子式总数10%).这些羟胺衍生化NOM产物主要属于维管植物源多酚类和高不饱和酚类化合物,86%以上的产物很可能通过羟胺与NOM分子所含的羰基基团发生肟化反应形成.CHO^(15)N_(1)类产物的形成具有高度的时间依赖性,高氧化高饱和度的NOM化合物需要较长的反应时间才能形成羟胺衍生化NOM产物,表明此类化合物与羟胺的反应活性较弱;而低氧化高不饱和度的NOM化合物仅需要较短的时间便能形成羟胺衍生化产物,且随着反应时间延长,其中的部分化合物可以进一步生成多肟化产物或不稳定的其他产物,此结果表明这类NOM化合物对羟胺的反应活性较强.本研究采用FTICR-MS首次在分子水平全面表征了羟胺与FTICR-MS相互作用产物信息,可为羟胺在地球氮循环过程中的迁移转化机制研究提供全新视角和信息.

快速灵敏检测水中Fe(Ⅲ)的化学发光传感体系研究

微波水热法合成了粒径均一、具有良好分散性的碳点材料。Fe(Ⅲ)加入到碳点—Na OH的化学发光体系中可以极大地提高发光信号。因此,建立了以碳点作为新型探针快速灵敏检测水中Fe(Ⅲ)的化学发光传感体系,此检测体系的检测限为1.45×10-6mol/L,对三种实际水样进行加标回收测定,回收率分别为117%,111%,94%。对体系的发光机理进行研究,Fe(Ⅲ)作为氧化剂向碳点表面注射空穴与Na OH化学还原作用注射的电子相复合,产生化学发光。

基于含水层介质中铁的类Fenton技术去除地下水中硝基苯

为了将Fenton氧化技术氧化能力强的优势引入到硝基苯污染地下水的原位化学修复中,通过实验模拟在地下环境温度为8-10℃、pH为中性条件下,以含水层介质中铁为催化剂的类Fenton技术去除地下水中硝基苯的过程,比较不同浸提剂对含水层介质中铁的浸提效果,并对氧化硝基苯的反应中自由基生成规律和催化氧化机理进行研究。研究结果表明：浸提剂强化了介质中各形态铁的释放,浸提作用存在滞后性,浸提36 h后铁在浸提液中浓度达到峰值;浸提剂DCB对介质中Fe3＋和Fe2＋的浸提效率最高,分别为62.92%和30.17%。催化氧化反应中硝基苯与H2O2的最佳摩尔比为1：200,该条件下硝基苯去除率最大为80.2%;催化氧化反应过程中HO.的变化可分为3个阶段,即0-30 min的快速生成阶段,30-120 min的生成速率降低阶段和120-240 min的稳定阶段。

功能化碳点的合成及其在Fenton反应体系中的化学发光行为研究

建立了枝状聚乙烯亚胺修饰的功能化碳点的水热反应合成法。对合成碳点的形貌、表面化学基团及光学性质进行了详细表征。发现所合成碳点在Fenton反应体系中表现出化学发光现象,其发光强度是同等条件下裸碳点发光强度的近10倍。而且化学发光强度随H2O2浓度及Fe(Ⅱ)浓度增加而增大,当Fe(Ⅱ)浓度大于5×10-4 mol/L时,出现二次发光现象。对其发光机理进行初步研究,认为第一次发光现象为(O2)*2生成的共振能量转移过程,第二次发光为HO·参与的碳点发光过程。

PM2．5的透射电镜及能谱表征

大气颗粒物中单个颗粒物本身的微观化学和物理性质各不相同，其化学组成也不均匀。本文利用高分辨透射电镜结合EDX能谱技术，对大气中PM2．5进行表征分析，得到颗粒物的形貌及能谱分析结果，单个颗粒形貌差异较大，大部分颗粒物的化学组成为0、Si、Al、Fe、Ca、K、Mg、C等常规元素，也有部分颗粒物中检测到Cr、W、Mn、Ti等重金属元素。以此对颗粒物的来源进行推测，此大气颗粒物主要为扬尘及汽车尾气等。同时对电镜高真空强电子轰击条件下颗粒的形貌变化进行了追踪分析，大部分颗粒有趋于圆形的变化，但是不同颗粒变形前后其元素相对含量变化也不同。