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华中农业大学王小明团队SEH:草甘膦-钙在水铁矿上的协同吸附——土壤中除草剂环境归趋的分子机制研究

  • 2026-10-11 05:10:55
华中农业大学王小明团队SEH:草甘膦-钙在水铁矿上的协同吸附——土壤中除草剂环境归趋的分子机制研究

导读

Introduction

草甘膦(PMG)是全球使用最广泛的非选择性除草剂,其在土壤与水环境中的广泛残留引发了持续的环境关注。由于其分子含有膦酸、羧基和氨基等多种可解离官能团,在多数土壤pH条件下以阴离子形式存在,因此易与矿物表面发生强烈界面作用。铁(氢)氧化物,尤其是水铁矿,因其高比表面积与丰富的表面羟基位点,成为控制草甘膦环境归趋的关键矿物相。其中,Fe–O–P内层络合是其在矿物表面的主要固定机制。

与此同时,草甘膦具有显著的金属螯合能力,可与Ca²⁺等金属离子形成稳定配合物。在钙质土壤与富钙环境中,这种金属参与可能显著改变其界面行为。本研究聚焦Ca²⁺在水铁矿–草甘膦体系中的作用机制,揭示其可通过参与表面配位并桥联草甘膦官能团,形成稳定的三元络合结构,从而增强吸附并改变界面稳定性。该研究为理解草甘膦在铁–钙共存环境中的迁移、固定与长期环境归趋提供了分子尺度机制解释。

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图文摘要

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主要内容

华中农业大学王小明团队在Soil & Environmental Health(SEH-《土壤与环境健康》)期刊发表研究论文:“草甘膦与钙在水铁矿上的协同吸附:土壤中除草剂环境归趋的分子机制研究(Synergistic Adsorption of Glyphosate and Calcium on Ferrihydrite: Molecular Insights into Herbicide Fate in Soils)”,系统揭示了Ca²⁺参与下草甘膦在水铁矿界面的协同吸附机制及其分子构型基础。

研究结合批量吸附实验、ζ电位分析、原位ATR-FTIR光谱(图1)、P K-edge XANES光谱及CD-MUSIC表面络合模型,发现Ca²⁺的存在可在较宽pH范围内显著增强草甘膦在水铁矿上的吸附能力,在高负载条件下最高提升约20%,体现出明显的表面浓度依赖协同效应。

图1 水铁矿表面草甘膦和Ca吸附的原位ATR-FTIR光谱(磷酸基团区)以及二维相关光谱分析

分子尺度结果表明,草甘膦主要通过其膦酸基与水铁矿表面羟基形成稳定的Fe–O–P内层络合物(单齿/双齿结构),而羧基与氨基在无Ca²⁺时主要参与外层弱相互作用(图2)。当Ca²⁺引入后,其可同时与膦酸氧与羧基氧配位,在界面形成以草甘膦为桥联配体的Fe–O–P–O–Ca三元络合结构,显著增强界面稳定性。

图2 不同添加顺序下,水铁矿表面草甘膦与Ca吸附的原位ATR-FTIR光谱(羧基与氨基振动)

原位ATR-FTIR与2D-COS分析进一步揭示,Ca²⁺引入后膦酸振动峰发生系统性重构,并出现P–O–Ca特征振动与羧基配位信号增强及偏移变化,证实其参与配位重组而非简单静电吸附。与此同时,XANES结果表明Fe–O–P内层络合骨架保持不变,仅发生Ca²⁺与膦酸氧之间的次级配位增强。

表面络合模型进一步验证(图3),在pH 5.0条件下草甘膦形成双齿/单齿Fe-O-P内层络合物;几乎所有吸附Ca²⁺均参与形成水铁矿–草甘膦–Ca²⁺三元络合物,不存在稳定独立的Ca²⁺吸附物种。吸附实验拟合得到的草甘膦/Ca²⁺约1.5的化学计量关系,可由界面近表面电荷富集与1:1三元络合构型共同解释。

综合而言,该研究提出了一个清晰的分子图景:水铁矿提供Fe–O–P锚定位点,草甘膦作为桥联配体,而Ca²⁺进一步“加固”膦酸与羧基协同配位网络,从而构建稳定的Fe–O–P–O–Ca三元界面结构。该机制为理解草甘膦在富铁–富钙土壤环境中的迁移、固定与长期归趋提供了关键分子证据。

图3 水铁矿表面草甘膦与Ca共吸附的CD-MUSIC模型模拟,以及两者共吸附的分子构型示意图

华中农业大学硕士研究生张梦琪为论文第一作者,王小明副教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金项目( 42577345)、国家现代农业产业技术体系建设项目(CARS26)以及湖北省自然科学基金创新群体项目(2023AFA009)的资助。感谢北京同步辐射装置(https://cstr.cn/31109.02.BSRF.4B7A)4B7A-XAFS光束线站在XAFS数据采集过程中提供的技术支持和帮助。

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文章引用

Mengqi Zhang, Wei Zhao, Xuewen Li, Hongju Ma, Xionghan Feng, Wenfeng Tan, Xiaoming Wang*, 2026. Synergistic adsorption of glyphosate and calcium on ferrihydrite: Molecular insights into herbicide fate in soils. Soil Environ. Health. 4, 100218.

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.seh.2026.100218

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作者简介

第一作者:

张梦琪,华中农业大学资源与环境学院硕士研究生,主要研究方向为土壤矿物-微生物界面互作及其驱动的有机磷除草剂形态转化机制,以第一作者在Soil & Environmental Health、Analytical Chemistry发表论文两篇。

通讯作者:

王小明,华中农业大学副教授、博导。主要从事土壤矿物界面过程与环境效应研究,重点关注典型矿物结构演化规律、肥料磷固定与活化机制、污染物界面过程与绿色修复等方向。以第一或通讯作者在ES&T(6篇)、GCA等权威期刊发表论文34篇,累计发表论文~80篇,总被引~3500次,H指数34。主持国家自然科学基金3项、国家重点研发计划子课题2项,以及中国博士后科学基金一等资助等。在国内外专业会议/机构做交流报告30次(2018-至今,含特邀报告8次,国际报告5次),担任EEH、土壤学报和BECT(青年)编委。曾获湖北省优秀博士学位论文、中国土壤学会科学技术奖二等奖、EEH期刊优秀青年编委以及Appl. Geochem.和SEH期刊优秀审稿人等荣誉。

往

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