Page 105 - 碳中和技术应用与发展
P. 105
第三章 碳中和背景下肥料行业经济发展
组成和结构随来源、气候、形成时间等因素的不同而不同，因此通过不同来源或
方法合成的腐植酸具有不同的元素组成、结构和多相分子组成，这也导致了腐植
酸结构的复杂性。目前，腐植酸的具体分子结构尚不清楚，但其二维和三维结构
模式的研究已成为环境化学、土壤化学、有机地球化学领域研究的热点。1978 年，
Schnitzer 提出了一种 FA 化学结构。“构件”间的连接由氢键组成，这使结构具
有弹性，“构件”可以根据 pH 值、离子强度等进行可逆地聚集和分散。1993 年，
Schulten 等通过元素分析、核磁共振碳谱、热解质谱和氧化降解数据等导出了土
壤中 HA 的二维模型。
基于广泛的质谱数据，初步研究表明，腐植酸碳骨架以烷基苯结构为主。该
二维模型将氧、氢和氮元素插入到腐植酸的碳骨架中，使腐植酸碳骨架更加完善。
2003 年，Diallo 等将实验表征、计算机辅助结构说明和原子仿真技术相结合建立
了用于腐植酸结构的三维结构模型。
有几种模型的分子结构和热力学性能与切尔西土壤 HA 的测量结果相符，具
有很好的一致性。但该三维结构模式仅能代表从有机土壤表面分离出来的腐植
酸，水、土、矿物质 - 水界面里的腐植酸的三维结构仍然是一个亟待解决的问题。
2017 年，Petrov 等通过分析源自土壤的 HA 的结构特性并将其与计算机技术相结
合，类似地给出了 HA 结构的三维模型。该模型系统与一系列此类性质的实验相
匹配，表明它们确实代表了标准褐藻土腐植酸。该研究证实了 GROMOS 力场在
腐植酸类物质模式中的应用，原则上它可以生成任何的土壤有机质或腐殖质模型。
通过对该技术和实验手段的深入研究，也许可以帮助我们更好地理解由腐殖质组
成的地球化学过程。
尽管 HA 的来源不同，但 HA 家族均具有相似的分子结构和性质。HA 的
分子量大概在 0。3~100kDa 之间，主要的元素组成是 C、H、O，且含有 Mg、
Fe、Ca、K 等微量元素。其中，C 含量约为 50%~66%，O 含量为 20%~46%，其
余大部分为 H。一般情况下，从同一土壤中提取的 HA，相较于 FA 含有更多的 C、
H 和 N，更少的 O 和 S。HA 分子单体以芳香环为核心，含有多种活性基团，如
羧基（–COOH)、醇羟基（R–OH)、酚羟基（Ph–OH)、甲氧基（–CH3O)、羰基
（–C=O）和醌，并与侧链上的多肽或脂族基团相连接。因为 –OH 和 –COOH 基
团的多取代结构，使 HA 具有很强的离子亲和力，能够捕获基质中的污染物质；
同时，以酚类和羧酸基团为代表的功能基还具有促进植物生长、保持水分和营养、
·91·
