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土壤生物化學團隊在土壤污染界面過程的計算模擬方面取得新進展
發布時間:2020-11-09

近日,我校資源與環境學院土壤生物化學團隊在土壤污染界面過程的計算模擬方面取得進展,相關成果以“Glyphosate adsorption onto kaolinite and kaolinite-humic acid composites: Experimental and molecular dynamics studies”和“Crystal Face-Dependent Methylmercury Adsorption onto Mackinawite (FeS) Nanocrystals: A DFT-D3 Study”為題分別發表于Chemosphere和Chemical Engineering Journal期刊。團隊將分子動力學模擬(MDS)與密度泛函理論(DFT)應用于土壤污染界面化學過程的研究,從分子水平分別揭示了草甘膦和甲基汞與土壤固相組分互作的微觀機制。

土壤作為一種復雜的多相體系,含有豐富的粘粒礦物和有機質等固相組分,它們是比表面大、表面活性高的細小顆粒,可與外源污染物相互作用,進而影響污染物在土壤中的活性、遷移和最終歸宿。從分子水平對這些微觀界面相互作用進行研究,是理解土壤污染物的毒理、生物可利用性、環境風險和污染修復的關鍵。

該團隊運用化學吸附、電位滴定、紅外光譜和X射線光電子能譜發現,高嶺石與腐殖酸形成復合體后,表面負電荷增多,對草甘膦的吸附量增加,相關原子化學結合能發生變化。結合分子動力學模擬,團隊獲取了高嶺石、腐殖酸和草甘膦互作的平衡吸附構型、關鍵互作原子的徑向分布函數、界面原子濃度分布和相互作用能,發現高嶺石與腐殖酸形成復合體后,對草甘膦的吸附顯著增強,主要歸因于草甘膦通過其羧基、氨基和膦?;c高嶺石鋁羥基形成氫鍵,平行吸附于高嶺石及高嶺石-HA復合體表面。進一步對氫鍵鍵長和強弱氫鍵數量進行統計發現,腐殖酸通過其羧基和羥基與草甘膦的膦?;桶被纬蓺滏I網絡增強了草甘膦的吸附。該工作為深入理解草甘膦-土壤固相界面互作機理提供了新的數據支撐和研究思路。

此外,通過密度泛函理論計算對甲基汞與馬基諾礦(FeS)不同晶面互作的結構和電子性質進行系統深入地計算,團隊發現甲基汞在馬基諾礦不同表面的優先結合順序為:(011)面> (111)面> (001)面。甲基汞在馬基諾礦(001)面傾向形成單齒單核的Hg-S絡合物,在馬基諾礦(011)面傾向形成單齒單核的Fe-Hg絡合物,而在馬基諾礦(111)面傾向形成雙齒雙核的Fe-Hg-Fe絡合物。團隊首次發現馬基諾礦表面Fe位點比S位點更傾向于吸附甲基汞。該工作從分子水平探究了甲基汞在馬基諾礦表面吸附的晶面依賴性和成鍵機制。預期可通過增加暴露特定礦物晶面以促進礦物對甲基汞吸附,為環境中甲基汞的去除提供新的理論支撐。

資源與環境學院博士生郭發揚為相關論文第一作者,副教授榮興民為通訊作者。我校資源與環境學院教授黃巧云、美國University of Notre Dame工學院教授Jeremy Fein和上海理工大學博士生徐京城參與了研究工作。研究受到國家重點研發項目、國家自然科學基金和華中農業大學自主創新基金的資助。

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