近原子尺度观察土壤有惊人的结果

地球土壤中的碳含量是大气中碳含量的三倍多，但土壤中碳的结合过程仍然没有得到很好的理解。

提高这方面的认识可能有助于研究人员开发出在土壤中隔离更多碳的策略，从而使其远离与氧气结合并作为温室气体的大气。

一项新的研究描述了一种突破性的方法，可以在近原子尺度上对土壤中固碳的物理和化学相互作用进行成像，并产生了一些令人惊讶的结果。

这项名为“纳米尺度土壤中的有机-有机和有机-矿物界面”的研究发表在11月30日的《自然通讯》上。

在这个分辨率下，研究人员首次表明，土壤碳与矿物质和有机物质(如细菌细胞壁和微生物副产品)中的其他形式的碳相互作用。以前的成像研究只指出了土壤中碳和矿物质之间的层状相互作用。

“如果有一种被忽视的机制可以帮助我们在土壤中保留更多的碳，那么这将有助于我们的气候，”农业和生命科学学院综合植物科学、土壤和作物科学部门的自由海德贝利教授、资深作者约翰内斯·莱曼说。安吉拉·波辛格博士是雷曼实验室的研究生，目前是弗吉尼亚理工大学的博士后研究员，是这篇论文的第一作者。

由于新技术的分辨率接近原子尺度，研究人员不确定他们观察的是什么化合物，但他们怀疑土壤中发现的碳可能来自土壤微生物产生的代谢物和微生物细胞壁。“十有八九，这是一个微生物墓地，”莱曼说。

“我们有一个意想不到的发现，我们可以看到不同形式的碳之间的界面，而不仅仅是碳和矿物之间的界面，”Possinger说。“我们可以开始研究这些界面，并试图了解这些交互作用。”

这项技术揭示了这些有机界面周围的碳层。Possinger说，这也表明氮是促进有机和矿物界面之间化学相互作用的重要角色。

她说，因此，农民可以通过考虑土壤改良剂中氮的形式，通过固碳来改善土壤健康，减缓气候变化。

在攻读博士学位期间，Possinger与康奈尔大学物理学家合作多年，帮助开发了多步骤方法，其中包括联合作者Lena Kourkoutis，应用和工程物理学副教授，David Muller, Samuel B. Eckert应用和工程物理学工程教授，康奈尔大学纳米科学Kavli研究所的联合主任。

研究人员计划使用强大的电子显微镜将电子束聚焦到亚原子尺度，但他们发现电子修改和破坏松散和复杂的土壤样品。因此，他们不得不将样品冷冻到零下180摄氏度左右，以减少光束的有害影响。

波辛格说:“我们必须开发一种技术，在制作非常薄的薄片的过程中，基本上保持土壤颗粒冻结，以观察这些微小的界面。”

Kourkoutis说，这些光束可以扫描整个样品，生成土壤样品及其复杂界面的结构和化学图像。

莱曼说:“我们的物理学同事在全球范围内处于领先地位，以提高我们仔细研究材料特性的能力。”“没有这种跨学科合作，就不可能有这些突破。”

Kourkoutis说，新的低温电子显微镜和光谱技术将允许研究人员探测软硬材料之间的一系列界面，包括那些在电池、燃料电池和电解槽功能中起作用的界面。

参考
波辛格AR，扎克曼MJ，恩德斯A，等。纳米尺度土壤中的有机-有机和有机-矿物界面。自然通讯．2020; 11(1): 6103。doi:10.1038 / s41467 - 020 - 19792 - 9

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