全球土壤有机碳储量约为1500 Pg，超过植被和大气碳库的总和，其微小变化即可强烈反馈于大气CO2浓度和全球气候。在这一庞大碳库中，微生物残体碳储量约758Pg，占比达50%，是陆地生态系统中最具封存潜力的稳定碳组分。以往实验普遍强调铁氧化物对有机碳的选择性固定，将“有机碳-矿物相互作用”视为土壤有机碳稳定的核心机制。然而，土壤中含铝矿物(如层状硅酸盐)含量通常远高于铁氧化物，但是二者对微生物残体碳积累的相对贡献仍缺乏定量评估，残体碳在矿物界面的固定机制也尚不明晰。
近日，华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室黄巧云教授团队依托合肥光源红外谱学和显微成像线站发展的红外显微谱学成像技术，揭示了微生物残体碳在矿物界面的固定机制。该研究通过120天的同位素培养实验，利用同步辐射红外显微谱学成像技术的化学成像能力，发现土壤铁氧化物(Fe，690 cm-1)对芳香碳(C=C，1618 cm-1)和羧基碳(C=O，1716 cm-1)具有选择性吸附，而层状硅酸盐(phyllosilicate，3620 cm-1)则优先结合多糖类化合物(C-O，1036 cm-1; 图)。进一步地，结合13C-核磁光谱和纳米二次离子质谱技术，研究人员发现残体13C在矿物表面的分布具有显著选择性：仅4.3% - 21.1%与铁氧化物结合，而超过78.9%则与含铝矿物(主要为层状硅酸盐)结合;且残体13C并非直接吸附于矿物表面，而是通过有机-有机相互作用形成多层堆叠而累积，在此结构中，层状硅酸盐结合的多糖类残体比铁氧化物结合的芳香碳和羧基碳具有更高的稳定性。
该研究颠覆了“铁氧化物主导碳固定”的传统认知，明确了含铝矿物在微生物残体碳固持中的核心地位，揭示了有机-有机相互作用机制在土壤微生物残体碳固定中的主导性，为优化土壤碳循环模型提供了关键矿物学和分子层面的参数。相关成果以“Al-bearing minerals as the primary loci for the sequestration of microbial necromass carbon in soils”为题发表于土壤学著名期刊Soil Biology and Biochemistry上。
同步辐射红外显微谱学成像技术揭示有机官能团与不同土壤矿物类型间的关系
