土壤腐殖酸超分子结构的时间演化：电镜揭示的囊泡与带状/片层结构双重转化路径

为解决土壤腐殖酸(HAs)溶液长期稳定性问题，研究人员通过透射电镜(TEM)结合电泳分馏(LPSEC-PAGE)技术，首次发现150天恒温孵育后HAs会形成囊泡状或带状/片层状两种超分子结构，该成果对理解土壤有机质生态功能与生物地球化学循环具有重要意义。

　　

在土壤科学领域，腐殖物质(HS)作为植物和动物残体分解的异质性混合物，长期以来被认为是调控养分循环和环境污染物行为的关键组分。然而，其精确的分子结构和形态特征始终是未解之谜。自上世纪中叶以来，科学家们通过电子显微镜观察到腐殖酸(HA_s)和富里酸(FA_s)的形态会随溶液浓度、离子强度或pH值发生显著变化，从微小球体到链状纤维乃至片层结构均有报道。但一个核心问题始终未被探讨：在恒定环境条件下，时间因素是否会导致腐殖质形态结构的演化与转化？

针对这一空白，俄罗斯科学院的研究团队在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表了突破性研究。他们首次通过高倍透射电镜(TEM)结合负染色技术，系统揭示了典型黑钙土腐殖酸及其电泳分馏组分在150天孵育过程中的超分子结构转化规律，为理解土壤有机质的动态自组装机制提供了直接证据。

研究采用的关键技术包括：1) 从俄罗斯库尔斯克州典型黑钙土(Haplic Chernozem)A层(10-20 cm)提取腐殖酸；2) 通过低压尺寸排阻色谱-聚丙烯酰胺凝胶电泳联用技术(LPSEC-PAGE)将整体HA_s分离为三个电泳迁移率(EM)不同的组分(A、B、C+D)；3) 使用醋酸铀负染色制备样品，在JEM-1200EX透射电镜下观察孵育前(10天)与孵育后(150天)的形态结构；4) 结合此前已完成的固态¹³C-NMR、热化学裂解/气相色谱/质谱(Py/GC/MS)、三维荧光等技术获得的化学组成数据进行分析。

研究结果

形态结构的时序性转化

研究发现所有样品在孵育前后均存在粒径2-3 nm的点状颗粒、4-6 nm的环状颗粒、蠕虫状颗粒和10-15 nm的球体等基本结构单元。但整体HA_s和分馏组分展现出截然不同的组装路径：

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  Fraction A（低EM，高脂质含量）：始终形成边缘清晰的低对比度弥散滴状结构（覆盖大部分TEM区域），150天内形态未发生显著变化。

  
• •
  Fraction B（中等EM）与整体HA_s：孵育前仅存在基本颗粒单元，150天后显著转化为囊泡状结构（直径20-80 nm的圆盘状和管状结构），其中整体HA_s以囊泡为主（item 8），并出现少量带状结构（item 9）。

  
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  Fraction C+D（高EM，高芳香性）：孵育前以链状纤维及其束状集合体为主（覆盖60%区域），150天后转化为微米级带状（item 9）和片层结构（item 10），同时基本颗粒单元数量锐减。

  

化学组成决定组装机制

研究团队通过前期化学分析数据（表1）揭示了形态分化的内在机制：

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  囊泡结构形成与脂质成分密切相关：Fraction A和B富含长链两亲性单羧基脂肪酸（C₁₂-C₃₀），通过疏水相互作用自组装成囊泡；
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  带状/片层结构依赖于芳香组分：Fraction C+D具有最高芳香度（Ar=3.26），其环状颗粒通过氢键和离子键堆叠形成链状纤维，进一步组装成片层结构；
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  芳香性参数（Ar） 成为形态分化的关键指标：Ar_C+D(3.26) > Ar_HAs(1.87) > Ar_B(1.28) > Ar_A(0.64)。

生态功能与形态结构的关联

不同形态结构对应截然不同的生态功能：

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  高脂质组分（A、B）表现出显著植物激素活性，使萝卜根长增加1.75-2.5倍；
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  高芳香组分（C+D）具有最强光化学活性，除草剂降解速率提升2.57倍；
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  整体HA_s因同时包含两种结构而兼具双重功能。

结论与意义

该研究首次实证了土壤腐殖酸在恒定环境条件下随时间推移发生的超分子结构转化，揭示了两条截然不同的自组装路径：

1. 1.
   脂质主导的囊泡化路径：源于长链脂肪酸的疏水相互作用，形成具有生物调节功能的囊泡结构；
2. 2.
   芳香主导的层状组装路径：通过π-π堆叠和氢键作用，构建具有光化学活性的片层结构。

这一发现不仅为"土壤有机质超分子理论"提供了直接形态学证据，更揭示了时间作为独立变量在有机质形态演化中的关键作用。研究建立的"化学组成-形态结构-生态功能"关联模型，对理解土壤肥力维持、污染物行为调控以及碳循环过程具有深远意义。尤其值得注意的是，农业耕作导致的土壤退化与脂质组分流失密切相关，该研究为通过有机质形态管理改善土壤健康提供了理论依据。

未来研究需结合高分辨透射电镜(HRTEM)进一步解析基本颗粒的分子堆叠方式，并探索不同环境条件下（如pH、离子强度）时间因子与形态转化的耦合机制。