亞熱帶生態所研發土壤晶元技術新方法用於土壤生物地球化學界面的形成過程

近日，由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程研究團隊，在土壤生物地球化學界面形成過程的研究中，取得新的方法學進展。

土壤被形象地稱為地球的皮膚，也是地球上最複雜的生物物理材料。在土壤微結構中，土壤顆粒表面的生物地球化學過程式控制制著污染物和營養物質的轉運和代謝過程，是土壤生態系統功能的關鍵驅動因素。然而，基於物理分離和化學提取的傳統均一化土壤研究方法，無法深入對微環境中微生物和土壤界面動態相互作用過程進行可控的、細緻的觀察和研究，致使人們對生物地球化學元素循環（如有機碳循環）的物理、化學和生物學耦合過程的認識缺乏共識。如何以過程為導向探究生物地球化學界面的形成和功能是當前土壤學科學研究中的一個重要挑戰。

該團隊博士生黃習知與華中科技大學博士生李一偉合作，在研究員吳金水和教授劉筆鋒的共同指導下，對土壤微界面過程進行探索：採用濕潤性圖案化微流控晶元技術構建了800微米的親水微陣列，並將新鮮的土壤懸濁液塗抹到親水點陣中；待水分蒸發後，土壤自主形成結構均一的土壤微顆粒點陣（SoilChip），隨後採用原始土壤提取的含可溶性土壤有機質對其進行培養；通過21天的培養試驗比較性質顯著差異的旱地黑土（Mollisol）和紅壤水稻田（Oxisol）的生物地球化學界面形成過程。掃描電鏡能譜結果顯示不同土壤微界面上的微生物群落結構特徵（個體形貌、大小和數量）有顯著的差異；同時，結合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）的動態過程，結果表明，不同土壤之間的元素之間動態差異巨大。基於微生物特徵和元素動態特徵的比較，對兩種土壤生物地球化學界面的形成過程進行了初步的討論，發現水分含量、微生物參與的有機物轉化過程和礦物組成共同決定了土壤生物地球化學界面的特異性。

區別於傳統的基於提取的研究方法，該研究首次提出了一個可控、動態而直接的土壤微界面研究方法，同時也可以和豐富的表面表徵技術相結合，為研究土壤微生態過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，發表在Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院戰略先導專項項目和中科院亞熱帶生態所青年創新團隊等項目的資助。

論文鏈接

基於土壤晶元技術的生物地球化學界面研究方法示意圖

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