초기 발생 과정에서 유기 토양 프로파일에서 융합된 방향족 고리 구조의 형성에 대한 증거

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12378(2023) 이 기사 인용

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토양에 융합된 방향족 고리(FAR) 구조가 존재하면 난분해성 토양 유기물(RSOM)의 안정성이 정의됩니다. FAR은 RSOM의 체류 시간 연장에 기여하는 중요한 골격 기능입니다. 초기 속생작용 동안, FAR 구조는 식물 잔류물 및 미생물 생성물 부패 중에 생성된 생체분자의 축합 및 중합을 통해 형성됩니다. 유기 토양 프로파일에서 추출된 RSOM의 분자 수준 특성화는 FAR 형성에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다. 추출된 휴믹산(HA)에 대한 재결합 장거리 C-H 쌍극성 디페이싱 실험을 포함한 고급 고체 13C 핵자기공명(NMR) 분광학은 이들이 숯 및 리그닌과 다르게 생성적으로 형성된 FAR을 함유하고 있음을 보여주었습니다. FAR의 특징적인 피크는 토양 프로파일의 모든 깊이에서 관찰되며, 바닥의 점토 토양층에서 HA 추출물에서 더 많이 관찰됩니다. 점토 토양층에서는 방향족 탄소의 78%가 양성자화되지 않았으며 이는 표토보다 2.2배 더 높았습니다. 이러한 데이터는 초기 속성 발생에서 발생할 수 있는 부식 과정에 대한 우리의 이해를 더욱 강화하고 토양의 장기적인 탄소 격리를 위한 중요한 현상으로 속성 발생을 통합하는 것의 중요성을 설명하는 데 도움이 됩니다.

융합 방향족 고리(FAR) 구조는 장기 유기 탄소(C) 격리에서 지배적인 역할을 하기 때문에 토양 유기물(SOM)의 특성을 이해하는 데 핵심입니다. FAR은 융합된 방향족 고리 구조1,2,3의 내부 공유 결합 탄소로 인해 토양에서 미생물 분해에 저항력이 있습니다. 토양에서 FAR 형성에 기여하는 화학 반응 경로 중에서 초기 속생/습화 과정은 많은 관심을 받지 못했습니다. 이전 연구는 개방형 바이오매스 연소로 인한 탄화된 잔류물, 에어로졸의 대기 퇴적, 토양에 바이오 숯의 통합과 같은 경로에 중점을 두었습니다1. 리그닌에서 파생된 방향족 분자의 하이드록실 라디칼 개시 산화는 축합 및 중합 반응을 통한 휴미화 중에 FAR4를 형성할 수 있습니다5. Kogel-Knabner 등6은 리그닌 분해 동안 양성자가 아닌 방향족 탄소(즉, 더 응축된 방향족 구조)가 증가하는 반면 페놀계 및 방향족 메톡실-C는 감소한다는 사실을 관찰했습니다. 리그닌 외에도 폴리메틸렌 분자(왁스, 수베린)를 함유한 특정 지질과 화합물도 응축된 방향족 분자의 형성에 기여할 수 있습니다7.

푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기(ESI-FTICR-MS)와 결합된 전기분무 이온화를 사용한 연구에 따르면 휴믹산(HA)은 리그닌 조각, 단백질성 물질, 탄닌, 지질 및 탄수화물8로 구성되어 있으며, 이는 잠재적인 것으로 간주될 수 있습니다8 FAR의 선구자. 이 연구는 산소화 작용기, N 또는 S 함유 그룹, 카르복실 함유 지방족 고리 분자(CCAM)를 포함하는 응축된 방향족 분자가 널리 퍼져 있음을 강조했으며, 이는 DOM8의 카르복실이 풍부한 지방족 고리 분자(CRAM)에도 연결됩니다. 이전 연구에서는 실험실 실험에서 하이드록실 라디칼(⋅OH)과 철이 있는 상태에서 육상 용해 유기물과 리그닌으로부터 FAR과 CRAM의 형성이 가능하다는 것을 보여주었습니다4,9. Chen et al.1은 밀짚 배양 실험에서 처음으로 360일 후에 상대적으로 높은 농도에서 FAR이 형성되는 것을 확인했습니다. Higuchi et al.10은 불포화 지방산, 수산화 카르복실산 및 수산화 뮤콘산을 생성하기 위한 리그닌의 수산화 및 개환을 포함하고 중합 및 축합 반응을 통해 FAR 및 CRAM 구조를 합성하는 산화 반응을 설명했습니다. 미생물, 효소 및 자유 라디칼은 초기 진단 과정에서 FAR 및 CRAM 형성11에 큰 영향을 미칩니다. 널리 알려진 연구 증거에 따르면 ⋅OH는 FAR12를 형성하기 위한 가교 및 축합 반응을 일으키는 화학 결합을 생성하는 핵심 요소입니다. 이러한 축합 반응에 필요한 ⋅OH는 용존 산소(O2)에 의한 환원철(Fe(II))의 산화(펜톤형 반응)13,14와 효소 반응(퍼옥시다제 및 페놀옥시다제에 의한 산화 반응)15,16을 통해 형성될 수 있습니다. Page et al.17은 넓은 토양 수분 기울기에 걸쳐 ⋅OH의 형성을 연구했으며 용존 유기물(DOM)과 철의 농도가 증가함에 따라 ⋅OH 형성이 증가한다는 것을 보여주었습니다17. Trusiak et al.18은 다음과 같은 평균 강수 현상을 관찰했습니다. 4 mm는 물에 잠긴 조건에서 하루에 200 μmol ⋅OH m−2를 생성하지만 여전히 하루에 60 μmol ⋅OH m−2를 생성합니다. 따라서 축합 방향족/FAR을 형성하는 데 필요한 반응물이 다음과 같이 존재한다고 가정할 수 있습니다. 토양과 이를 생산하는 미생물 과정.