1 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室, 江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学化工学院, 江苏 徐州 221116
二价金属离子Cu2+在很多工矿企业周围水源及土壤中存量超标, 造成生态环境恶化, 传统的药剂及生物处理容易产生二次污染。 黄腐酸由性质相似分子团簇构成, 具有水溶性好、 络合作用强及化学活性高的特点, 对环境中Cu2+分布、 迁移和生物利用度可以实现高效控制与环保处理, 是近年科学研究热点。 现代多光谱表征分析有助于揭示黄腐酸与金属离子作用过程构效关系变化、 环境效应及重金属离子迁移行为规律, 对黄腐酸与Cu2+络合过程特点及作用机理研究具有重要科学价值。 综述了近年来黄腐酸与Cu2+络合作用相关基础理论研究, 通过红外光谱、 三维荧光光谱及差分光谱等方法对黄腐酸与Cu2+络合前后表征对比分析和学科交叉协同研究, 探讨了pH、 离子浓度以及黄腐酸组分构成差异等对络合过程的影响, 揭示了黄腐酸与Cu2+络合作用位点的结构特性及作用规律, 羧基与酚羟基等含氧酸性官能团是Cu2+与黄腐酸络合的主要位点, 羧基型位点络合Cu2+作用显著, 酚羟基型位点有助于增加Cu2+络合物稳定性, 含氮官能团也在络合过程中发挥重要作用。 在此基础上, 进一步指出pH值的变化将改变黄腐酸活性位点对Cu2+的亲和力, 原因主要与活性位点上Cu2+与H+之间的离子交换以及黄腐酸的静电吸引力有关; 不同结构特征的黄腐酸对Cu2+络合效果主要体现在具有不同数量的酚羟基、 羧基以及含氮官能团活性位点; 溶液中共存Fe3+, Mg2+和Al3+等离子会与Cu2+在黄腐酸的活性结合位点上产生显著络合竞争; 同时溶液环境中K+和Na+等非强吸附作用离子浓度增加, 使得溶液中大量正电荷离子就近进入黄腐酸的电子层而增强电荷屏蔽效应, 进而也抑制Cu2+与黄腐酸络合。 总结并展望了黄腐酸相关学科技术理论在现代农业、 生态修复及环境治理等领域科学应用共存的问题及挑战。
黄腐酸 铜离子 离子络合 活性位点 谱图表征 作用机理 Fulvic acid Copper ion Ion complexation Active site Spectral characterization Mechanism of action 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1010
1 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
3 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所, 黑龙江 哈尔滨 150086
4 黑龙江省农业科学院克山分院, 黑龙江 齐齐哈尔 161000
5 沈阳农业大学土地与环境学院, 辽宁 沈阳 110866
富里酸(FA)是土壤腐殖质的重要组成成分, 是土壤腐殖化过程中的中间物质, 其结构特性对提高土壤有机质具有重要的指示作用。 有机无机肥配施是实现土壤培肥、 秸秆资源利用、 减少无机肥施用的有效措施。 为探讨黑龙江省黑土区秸秆有机肥替代无机肥对土壤FA的影响, 设置不施肥(CK)、 单施无机肥(NPK)、 有机肥替代无机氮肥25% (NPKM1)、 有机肥替代无机氮肥50% (NPKM2)、 有机肥替代无机氮肥75% (NPKM3)及有机肥替代无机氮肥100% (NPKM4)6个处理, 测定土壤有机碳(SOC)和FA含量。 利用荧光指数(FI)、 自生源指数(BIX)表征土壤FA的来源, 腐殖化指数(HIX)指示土壤的腐殖化程度。 采用三维荧光光谱-平行因子分析法, 分析土壤FA的荧光组分及最大荧光强度(Fmax), 并利用冗余分析(RDA)探讨荧光强度、 土壤有机碳和试验处理间的响应关系。 结果表明: 与NPK处理相比, 有机无机肥配施处理均显著提高了SOC和土壤FA含量, 其中对NPKM2处理影响最大, SOC含量提高8.06%, 土壤FA含量提高13.84%。 土壤FA受自生源和外生源共同作用的影响(FI>1.4, 0.8Fmax值先升高后降低, 类蛋白质Fmax值逐渐降低。 NPKM2处理类富里酸和类胡敏酸的Fmax值最高, 类富里酸的相对百分比最高。 RDA结果表明NPKM2处理对SOC、 土壤FA含量和Fmax值的影响最大。 因此, 基于土壤FA荧光光谱特性分析可知, 为提高土壤有机质含量、 增加秸秆利用率、 减施无机肥, 秸秆有机肥替代无机氮肥50%处理为最佳有机无机肥配比。
黑土 有机无机肥配施 富里酸 三维荧光光谱 Black soil Organic-inorganic fertilizer combined application Fulvic acid Three-dimensional fluorescence spectrum 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3518
1 内蒙古科技大学化学与化工学院, 内蒙古 包头 014010
2 清华大学生命科学学院, 北京 100084
在模拟生理环境中, 使用荧光光谱法、 紫外光谱法、 圆二色谱法、 同步荧光光谱法、 三维荧光光谱法与分子对接模拟法研究黄腐植酸和牛血清白蛋白(BSA)之间相互作用。 在荧光光谱法研究中, 经Stern-Volmer方程计算得到298, 303和308 K温度下的动态荧光猝灭速率常数Kq和猝灭常数, 证明BSA与黄腐殖酸(FA)相互作用的猝灭过程为静态猝灭; 同时根据计算得出的结合位点数n都在1附近, FA与BSA体系相互作用比为1:1; 利用静态猝灭双对数方程计算三个温度下的热力学参数, 焓变ΔH<0, 熵变ΔS<0, 得出结论, FA与BSA之间的主要作用力为氢键和范德华力; ΔG<0, 说明作用过程为自发过程。 采用Förster's偶极-偶极非辐射能量转移理论, 计算出结合距离r=6.340 nm, 表明BSA与FA之间存在非辐射能量转移。 分子对接模拟结果表明FA与BSA残基的结合作用力具有氢键和范德华力, 同时二者之间还存在疏水作用力, 多种力共同作用使FA与BSA能够稳定结合。 通过对FA与BSA相互作用的紫外-可见吸收光谱分析, 发现BSA最大吸收峰发生了较为明显的红移, 表明FA使BSA的二级结构发生改变。 通过研究FA与BSA相互作用的同步荧光光谱, 得到FA使BSA中的色氨酸(Trp)残基周围的微环境极性增强, 疏水性减弱, 亲水性增强, 使BSA的蛋白质构象发生了一定程度的改变。 通过研究FA与BSA相互作用的三维荧光光谱, 峰1(peak 1)与峰2(peak 2)的最大发射波长峰都发生了红移, 证明FA与BSA发生了相互作用, FA使BSA周围环境的极性增大, 疏水性减小, 亲水性增加, BSA蛋白质构象发生变化。 最后采用圆二色谱法进行分析, 利用软件计算得出该实验相互作用体系下α-螺旋(α-Helix)减少2.3%、 β-折叠(β-sheet)增加7.7%、 β-转角(β-Turn)增加0.6%和无规则结构(Random coil)含量减少1.2%, β-折叠(β-sheet)含量增加最为明显, 强有力地说明了FA使BSA结构发生了改变。
牛血清白蛋白 黄腐植酸 多光谱法 分子对接模拟 Bovine serum albumin Fulvic acid Multi-Spectroscopy Molecular docking 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2904
1 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
2 北京市农林科学院植物营养与资源研究所, 北京 100097
3 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所, 黑龙江 哈尔滨 150086
4 沈阳农业大学土地与环境学院, 辽宁 沈阳 110866
为探讨施用增效肥料后对土壤富里酸(FA)荧光特性及腐殖化程度的影响, 在黑龙江省黑河市嫩江县和爱辉区两个试验区采取相同施肥处理, 设置5个处理组: 平衡施肥(NE)、 平衡施肥减量25%(CK) 、 平衡施肥减量25%+纳米碳增效剂(T1)、 平衡施肥减量25%+沸石增效剂(T2)、 平衡施肥减量25%+生物炭增效剂(T3), 分析土壤中FA荧光光谱特性的变化情况。 三维荧光区域积分（FRI）方法不同肥料处理区域Fmax相对含量的变化表明, 施用增效肥料可以提高土壤腐殖化程度, 其中T2＞T1＞T3＞NE＞CK, 沸石增效处理对于提高土壤腐殖化程度、 提高土壤的供肥水平表现最为显著, 其在嫩江试验区的可见荧光FA区域Ⅴ与紫外荧光FA区域Ⅲ所对应的物质相对含量的比值（PⅤ, ｎ/PⅢ, ｎ）较CK处理提高了5.81%, 根据平行因子分析方法将土壤FA分为C1组分和C2组分, 其中C2组分与C1组分Fmax的比值（C2/C1）较CK处理提高了22.09%; 在爱辉试验区的PⅤ, ｎ/PⅢ, ｎ较CK处理提高了4.65%, C2/C1较CK处理提高了20.93%; 根据平行因子分析（PARAFAC）结果, 各处理土壤FA可分为C1和C2两个组分, C1组分为类富里酸(Ex/Em=230 nm, 320/410 nm), C2组分为类胡敏酸(Ex/Em=265/465 nm), 施用三种增效肥料均可以提高土壤的供肥能力, 其中NE＞T2＞T1＞T3＞CK。 与CK处理相比, T1, T2和T3三个增效处理中, T2增效处理的提升作用最为明显, 采用沸石作为肥料增效剂对于土壤FA的积极作用要优于纳米碳和生物炭, 因此长期施用沸石增效肥料可有效提高土壤供肥能力, 能够改善土壤生态环境。
增效肥料 富里酸 腐殖化 三维荧光光谱 平行因子分析 Synergistic fertilizer Fulvic acid Three-dimensional fluorescence spectrum Humification Parallel factor analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1360
以16年长期定位试验为基础, 探讨不同比例有机无机肥配施对土壤腐殖质特征的影响。 通过分离纯化腐殖质中的胡敏酸(HA)和富里酸(FA)组分, 并利用元素分析、 红外光谱和核磁共振研究分析了F1(70%化肥+30%有机肥)、 F2(50%有机肥+50%化肥)和F3(100%有机肥)三种施肥方式下的HA和FA含量及结构变化。 结果表明, F3对于提升HA和FA含量的效果优于F1和F2处理, 说明有机肥的施用量越高, 土壤腐殖质组分的含量就越高。 元素分析表明, 不同配比的有机无机肥对HA和FA各元素含量及原子比影响不同。 F2和F3都提高了HA的缩合度, 降低了氧化度和极性, 其中F3的效果更加明显; 有机肥的施用还能促进HA中含氮化合物的形成, 并且在F2中的效果最好; 有机肥的施用同样提高了FA的缩合度而降低了氧化度和极性并促进了含氮化合物的形成, 尤其在F2处理中尤为明显。 腐殖质红外光谱分析表明, 与F1相比, F2和F3提高了HA中脂肪族化合物、 碳水化合物物质的含量, FA的羧基基团、 脂肪基团含量也增加, 且在F3处理中表现最为显著; F2处理则降低了HA中脂肪烃物质的含量, FA中的碳水化合物则达到最高。 13C核磁共振波谱分析显示, 在三种处理中, 有机肥的施用提高了HA和FA的脂化度而降低其芳化度, 其中F2处理中HA官能团变化更加显著, FA在F3处理中则变化更加明显。 综上所述, 有机肥显著提高了土壤腐殖质组分含量, 并且提高了HA和FA的脂化度降低其芳化度, 但是不同用量有机肥下HA和FA的形成机制不同。
有机肥 无机肥 胡敏酸 富里酸 红外光谱 元素分析 固态13C核磁共振 Organic fertilizer Inorganic fertilizer Humic acid Fulvic acid Infrared spectroscopy Elemental analysis Solid 13C-NMR
1 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875
2 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
3 常州大学环境与安全工程学院, 江苏 常州 213000
利用同步荧光光谱(SFS)结合二维相关光谱(2D COS)和修正Stern-Volmer模型探究了森林土壤富里酸(FA)亚组分的质子键合多相性。 利用XAD-8吸附树脂结合Na4P2O7缓冲溶液逐步洗脱方法成功将土壤FA分级为异质性低的FA亚组分(FA3-FA13)。 FA3-FA13含有类蛋白(类酪氨酸和类色氨酸)、 类富里酸和类腐殖酸组分, 且FA7-FA13比FA3和FA5含有更多含量的类蛋白组分。 FA3-FA13中不同荧光组分的光谱峰强受溶液碱性pH值变化的影响较为明显。 FA3-FA13的2D COS同步和异步相关谱图中自峰和交叉峰的复杂分布与荧光组分的质子键合多相性有关。 FA5-FA13中类蛋白、 类富里酸和类腐殖酸组分因pH值变量扰动而产生的光谱变化方向相同。 在碱性pH值条件下, 修正Stern-Volmer模型定量拟合FA3-FA13中荧光组分的解离常数(pKa值), 其中类酪氨酸、 类色氨酸、 类富里酸和类腐殖酸的pKa值范围分别为6.11, 8.93～10.12, 9.32～10.65和9.70～10.63(R>0.854)。 FA3中类酪氨酸组分的低pKa值(6.11)表明类酪氨酸组分含有更多含量的芳香族结构和相邻酚基官能团。 FA3-FA13中类色氨酸、 类富里酸和类腐殖酸组分的相似pKa值(8.93～10.65)与羟基苯和氨基酸的pKa值(8.0～12.02)相近, 表明类色氨酸、 类富里酸和类腐殖酸组分具有相似的质子亲和力, 且酚基官能团和氨基酸组分在其质子键合过程中起主要作用。 FA3-FA13中特定波长处荧光组分的波长连续变化顺序与其pKa值递增趋势相一致, 且质子结合位点的多相性特征同时存在于FA亚组分的不同荧光组分间和相同荧光组分内。 FA3中特定波长处类酪氨酸和类色氨酸组分的pKa值(6.11～9.16)小于类腐殖酸组分(9.70～9.97), 且荧光组分的递增趋势与波长连续变化的顺序(250 nm→275 nm→425～490 nm)相一致。 FA5-FA13中特定波长处类色氨酸组分、 类富里酸和类腐殖酸组分的pKa值递增趋势与波长连续变化的顺序表现出相一致的规律: 275 nm(8.93～9.70)→375～495 nm(9.88～10.16)→350 nm(10.65)(FA5和FA7), 275 nm(10.11)→290～400 nm(10.35)(FA9)和265～345 nm(9.32～9.80)→360～450 nm(10.06～10.13)(FA13)。 同时, FA13中同一类富里酸组分的波长和pKa值存在325 nm(9.32)→375～425 nm(10.06～10.13)的连续变化顺序。 SFS-2D COS结合修正Stern-Volmer模型具有降低光谱重叠率和捕获光谱波长连续变化的优势, 为深入研究有机质和污染物间复杂相互作用提供支撑。
富里酸亚组分 质子键合多相性 荧光组分 解离常数 Fulvic acid sub-fraction Proton binding heterogeneity Fluorescent materials Dissociation constants 光谱学与光谱分析
2019, 39(10): 3071
1 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室, 江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学化工学院, 江苏 徐州 221116
3 北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871
近年来煤基高附加值化学品提取制备的前沿科学研究发现, 黄腐酸平台化合物(FAPC) 作为一类具有特殊功效的团簇族特性组装分子集合体, 在现代农业、 生物医药及功能材料等方面有良好应用前景, 黄腐酸平台化合物制备提取基础理论及化学构成研究具有重要科学意义; 简介了黄腐酸平台化合物基于不同源物质的制备提取方法, 重点阐述了煤基物选择解离规律、 黄腐酸平台化合物特征官能团构成及自组装结构特性的光谱解析, 研究结果表明: 酸碱反应、 离子交换、 生物转化及微波等途径, 可以实现黄腐酸平台化合物选择性制备提取; 通过红外、 核磁共振、 荧光光谱、 电子与振动光谱及分子模拟等手段, 能够从不同光谱谱图特征指认对制备所得黄腐酸平台化合物分子群组分进行分子结构、 官能团、 分子链、 自组装空间构型、 基团结构及构建方式有效检测表征; 多谱图综合揭示黄腐酸平台化合物主要由羧羟基、 酚羟基、 醌基和羰基类分子构成; 选择性解离生成的活性小分子因相关分子特性取向形成自组装集体, 具备界面友好、 微纳米尺寸、 电学储能及良好生物相容性特点; 通过对比分析对黄腐酸平台化合物制备规律进行了优缺点揭示, 并对黄腐酸平台化合物未来理论研究与应用前景做了展望。
黄腐酸 平台化合物 化学构成 光谱 自组装 Fulvic acid Platform compounds Chemical composition Spectrum Self-assembly
东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
为探讨水热条件对农田黑土富里酸(FA)腐殖化程度的影响, 选取黑龙江省不同纬度带黑土区域北安、 海伦、 宾县、 双城的农田土壤, 对其腐殖物质进行分组测定, 且分析了富里酸的荧光光谱特性。 结果表明: 从北向南, 随着水热分布强度增加, 农田黑土腐殖酸含量依次降低, 北安为990 g·kg-1、 海伦为871 g·kg-1、 宾县为548 g·kg-1、 双城为470 g·kg-1, 胡富比显著降低, 分别为146, 142, 080和074; 不同区域富里酸三维荧光图谱差异值分析表明, 与北安相比, 其它区域Peak A和Peak C荧光强度均明显减少, 区域积分(FRI)方法表明, 从北向南, 可见光区类富里酸物质含量显著下降; 平行因子分析(PARAFAC)表明, 各区域土壤FA可以分为相对分子质量较小、 结构简单的C1及分子结构相对复杂、 缩合度较高的C2两个组分, 随着水热梯度增加, C1组分明显增加, 而C2组分则呈相反趋势, C1组分的增加主要来源于C2组分降解的中间产物, 且较高比例的C1组分促进了FA在土壤中分解; 二维同步扫描图谱表明, 随着纬度降低, FA结构趋于简单化, 黑土中FA分解途径是组分中分子量较大、 结构复杂的物质优先裂解, 形成结构相对简单的、 缩合度较高的小分子化合物, 然后进一步彻底分解。 综上, 北安、 海伦、 宾县、 双城农田黑土的FA浓度及腐殖化程度呈下降趋势; 水热梯度增加, 不利于土壤中FA积累, 加速了土壤FA流失。
水热条件 黑土 富里酸 荧光光谱特征 腐殖化 Hydrothermal conditions Black soil Fulvic acid Fluorescence spectrum characteristic Humification
1 河北联合大学化学工程学院, 河北 唐山 063009
2 中国科学院化学研究所分子动态与稳态结构国家重点实验室, 北京 100190
利用菁染料超分子作为分子探针对黄腐酸进行标记, 检测黄腐酸和药效机制, 对于生命科学和药物化学领域的发展具有重要意义。 采用紫外-可见吸收光谱和圆二色谱研究黄腐酸作为模板对不同结构菁染料超分子的组装及手性调控。 结果表明: 黄腐酸能诱导三种菁染料J-聚集体解聚为单体并伴有体系表观颜色的变化, 并与菁染料单体之间具有很高亲和力。 黄腐酸作为模板不仅可以诱导MTC形成具有一定手性的H-聚集体, 而且能使MTC的H-聚集体的手性出现两次反转; 还可以诱导ETC的J-聚集体发生分子间的重排, 最终形成具有左手螺旋性的J-聚集体。 除此之外, 黄腐酸还对PTC的J-聚集体圆二色谱信号有显著的影响。 同时, 菁染料中位取代基影响到相互作用的能力: 中位取代基越小, 菁染料聚集体与黄腐酸的作用越强。 菁染料与黄腐酸的结合能力大小为MTC>ETC>PTC。 菁染料超分子可作为一类优良的分子探针对黄腐酸进行特异性识别并可达到可视化的检测效果。
菁染料 聚集体 黄腐酸 诱导手性 相互作用 Cyanine dyes Aggregation Fulvic acid Induced chirality Interaction 光谱学与光谱分析
2014, 34(11): 3045
1 东北农业大学生命科学学院, 黑龙江 哈尔滨150030
2 中国环境科学研究院水环境系统工程研究室, 北京100012
采集黑龙江省兴凯湖4个点位沉积物样品（样品号HXXD, HXXX, HXDX, HXDB）, 开展了沉积物富里酸(fulvic acid, FA)荧光特性研究。 二维荧光光谱、 三维荧光光谱均显示HXXD点位FA的主要荧光峰均出现在较长波长处。 FA荧光光谱特征参数分析表明, 各点位富里酸腐殖化程度为: HXXD>HXDX>HXDB>HXXX。 其中HXXD点位FA以陆源输入为主, 而其他点位FA则陆源与水生生物源并存。 利用荧光区域积分（FRI）技术, 对FA的三维荧光光谱5个区域（Ⅰ-Ⅴ）的荧光响应值比例（percent fluorescence response, Pi, n）比较证实, 所有点位类胡敏酸区域（Ⅴ区）的PⅤ, n、 类富里酸（Ⅲ区）的PⅢ, n均占有较大的比例, 同时采用三维荧光区域积分法判断各点位FA腐殖化程度与二维荧光特性结论一致。 三维荧光光谱中r(A, C)值与区域积分（FRI）中PⅤ, n/PⅢ, n及(PⅤ, n+PⅢ, n)/(PⅠ, n+PⅡ, n+PⅢ, n)均具有显著的相关性, 因此, r(A, C)值是兴凯湖沉积物FA腐殖程度表征的一个方便、 快捷的参数。
兴凯湖 沉积物 富里酸 荧光光谱 区域积分 Xingkai lake Sediment Fulvic acid Fluorescence spectroscopy Region integration 光谱学与光谱分析
2013, 33(7): 1824
