生物炭源溶解有机质（BDOM）通过芳香氮和高度不饱和硫化合物介导针铁矿结合磷的pH依赖性释放机制

针对酸性土壤中针铁矿结合磷（Ge-P）生物有效性低的问题，研究人员系统探究了生物炭源溶解有机质（BDOM）的pH依赖性释放机制。研究发现pH 7.5时BDOM通过Fe(III)还原溶解和配体竞争协同作用实现55.6%的磷释放，芳香氮（Ar–NH2）和硫醇（–SH）是关键功能基团，为酸性土壤磷活化提供了新策略。

　　

磷（P）是维系陆地和水生生态系统生产力的关键限制性营养元素，但酸性土壤中针铁矿（α-FeOOH）通过表面羟基（≡Fe–OH）的配体交换作用强力固定磷酸根（PO₄^3-），造成农作物磷饥饿与水体富营养化的双重矛盾。传统磷肥利用率不足20%，而中国农田每年磷盈余高达16 kg/ha，如何活化土壤中"遗留磷"（legacy P）成为农业与环境领域的重大挑战。

重庆自然科学基金等项目支持的研究团队在《Water Research》发表论文，揭示了生物炭源溶解有机质（BDOM）通过芳香氮和硫化合物调控针铁矿结合磷（Ge-P）释放的分子机制。研究采用紫外-荧光光谱、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）等技术，发现pH 7.5时BDOM通过双重机制实现55.6%的磷释放效率：一方面低发射波长的类腐殖质和色氨酸类物质通过电子转移驱动Fe(III)还原溶解，另一方面芳香氨基（Ar–NH₂）、羧基（–COOH）和硫醇（–SH）基团参与配体置换。这种协同效应在pH 7.5时的效率分别是pH 6.0和单纯pH调节的21.5倍和3.09倍。

主要技术方法
研究团队通过化学沉淀法合成针铁矿，采用批量解吸实验结合动力学模型分析磷释放过程，利用平行因子分析（PARAFAC）解析BDOM荧光组分，通过FT-ICR MS鉴定含氮/硫化合物的分子特征，结合X射线光电子能谱（XPS）验证表面元素价态变化。

研究结果

1. Ge-P释放动力学：在共存离子复杂的BDOM体系中，pH 7.5时磷酸盐浓度从0.30 mM升至0.48 mM，而pH 4.5时发生不可逆吸附。
2. BDOM组分特征：荧光组分分析显示类腐殖质（C1）和类色氨酸（C2）物质贡献了72.3%的磷释放活性。
3. 分子机制解析：FT-ICR MS发现含N₃O₄S₁和N₂O₅S₁的芳香族化合物在碱性条件下与Ge-P强烈相互作用。

结论与意义
该研究首次阐明BDOM中芳香氮和高度不饱和硫化合物（highly unsaturated sulfur compounds）的协同作用机制，提出"电子转移-配体竞争"双途径模型：在近中性pH下，BDOM的π共轭体系通过持久性自由基（PFRs）介导Fe(III)还原，同时含氧/氮/硫官能团直接竞争表面吸附位点。这一发现不仅为酸性土壤磷活化提供了新型生物炭调控策略，其pH依赖规律还为流域尺度磷流失风险预警提供了理论依据，实现了"肥料高效利用-水体富营养化防控"的协同治理目标。