リン爆弾がカチカチ音をたてる
最近のリンの危機は、地球上での人間の努力を脅かしています。すべての生命体に不可欠な構成要素であるリンの施肥は、食料生産を維持するために必要です。一方では、リンが豊富な鉱山は限られた資源です。一方、河川や海への損失は富栄養化、つまり有毒な藻類の繁殖につながります。 2008 年、海洋への世界的なリン損失の再構築により、3600 年までにすべてのリン埋蔵量が枯渇するという予測が導かれました。その時までに、人類は絶滅するか、リンをリサイクルする新しい方法を発見するでしょう.
ヨーロッパでは、植物は 1965 年から 2007 年の間に肥料として耕地に適用されたリン (1 115 kg P ha) の約 30% しか吸収していません。その結果、耕作可能な土壌に「レガシー リン」の巨大なプールができました。これは富栄養化の時限爆弾であり、水生環境にゆっくりと漏れ出します。その漏れの割合はまだ不明です。特にリンの垂直浸出は、従来のモデルの予測によると、ほとんどの水はけの良い土壌で数世紀後に地下水に到達する可能性があります.ただし、Pの地下濃縮と排水中の大幅なリンの損失がしばしば報告されています。したがって、土壌中のリンのこの高速で謎めいた垂直移動を説明できるモデルが大いに必要とされています。
リーチ、分析、モデリング
私たちは、カラム実験からのデータの分析と地球化学モデリングを通じて、農地土壌におけるリンの垂直移動のメカニズムを解明することに着手しました。私が博士号を取得する前に、私たちのグループの元研究者である Thijs Vanden Nest と Fien Amery は、120 本のカラムを使用して浸出実験を行いました。農業用土壌で満たされた柱の上部に人工雨水が適用され、下部の真空ポンプが不飽和のフィールド条件を模倣しました。カラムの底から浸出した水が分析され、962 の浸出液サンプルが得られました。私の仕事は、データをプールして分析し、これらのカラムからのリンの浸出を説明するために表面錯形成モデルの使用を評価することでした.
確認された伝統的な見解
よく肥沃な農地では、ほとんどのリン (P) は無機リン酸 (PO4 )、つまり、4 つの酸素原子に囲まれており、そのうちの 3 つが水素原子と結合している可能性があります。これらの陰イオン、負に帯電したイオンは、土壌中のオキシ水酸化鉄 (Fe) およびアルミニウム (Al) の表面に強く結合し、移動を制限します。図 1 は、最初の結果を示しています。リン酸塩の固液分配係数 (K
水平の赤い線は、フランダースの表層水の総リン濃度の環境限界を示しています。ほとんどの浸出液サンプルは、この制限を数桁超えています。
図 2. 浸出液サンプル中のリン濃度 ([P]、µmol l) は、オルトリン酸塩分布係数 (Kこれは、オキシ水酸化鉄とアルミニウムへのリン酸塩の収着が、浸出液中のリン濃度を制御する可能性が高いことを示しています。リン濃度とK
両方の強い相関関係は、鉄とアルミニウムへのリン酸収着が P 浸出を制御することを示唆していました。しかし、私たちの表面錯形成モデリングの取り組み、つまりこの収着プロセスの詳細な数学的記述では、満足のいく記述が得られませんでした。予測されたリン濃度が観測されたものと一致したのはごくわずかでした.
ナノ粒子はリンの垂直輸送を促進します:送料無料!
その後、予想外のことが起こりました。ナノ粒子が存在したのです。まず、450 nm でフィルター処理された浸出液サンプルに含まれる Fe と Al の濃度が比較的高いことに気付きました。さらに、両方の元素の濃度は非常に正の相関がありました (図 3)。 Fe と Al の両方がイオンとして存在することはできません。つまり、「完全に溶解」しています。もしそうなら、化学理論はそれらが鉄とアルミニウムのオキシ水酸化鉱物として容易に沈殿すると予測しています.それこそが、両者の強い相関関係を説明するものです。最も可能性が高いのは、浸出液中の Fe と Al の両方がナノ粒子として存在し、天然水で一般的に観察されるように、同じコロイド サイズの粒子 (つまり、大きなナノ粒子:1 ~ 450 nm) で互いに結合していたことです。ナノ粒子は存在しますが、それで何ですか?
ナノ粒子の主な特徴は、比表面積（面積対質量比）が非常に大きいことです。一辺の長さが1cmの立方体の表面積は6cmです。立方体を 8 つの同じ小さな立方体に切断すると、質量は変わりませんが、表面積は 2 倍になります。これを 17 回繰り返すと、ナノ領域になります。立方体の長さは約 80 nm、総表面積は約 800,000 cm になります。天然のオキシ水酸化鉄が 1 グラムあたり最大 600 m の比表面積を持つことはよく知られています。このすべての表面は、リン酸塩などのイオンを結合できます。市場の競合他社の 800,000 倍の荷物を輸送できる運送会社を想像してみてください。nano を選びますか?
リン酸飽和度が 30% 未満の土壌では、リンの浸出液濃度は Fe と Al の濃度の増加とともに増加します (青い点、図 4)。したがって、土壌の液相中のナノ粒子の濃度が増加すると、浸出液のリン濃度が増加しますが、それは低飽和土壌の場合のみです。
これらの結果は、Fe と Al を含む天然のナノ粒子が農業用土壌中のリンに結合して輸送し、リンの浸出を促進し、富栄養化を促進することを示唆しています。しかし、これは数学的に説明できますか?そして、モデルは同じことを示唆していますか?実際、ナノ粒子を第 3 相 (固体粒子相、液相、固体ナノ粒子相) としてモデルに組み込んだだけです。その後、リンは化学平衡の法則によって 3 つの相に分割されました。
突然、予測の精度が 2 倍になりました。さらに、このモデルは、ナノ粒子が浸出液のリン濃度を 50 倍まで高めることができると予測しましたが、それは飽和度の低い土壌に対してのみでした。リンで飽和した土壌では、ナノ粒子の表面でさえ飽和します。その結果、リンに対する親和性が低下します。過負荷の荷物を郵便配達員が落として、配達に失敗します!これにより、図 3 が説明されました。
鉄とアルミニウムのナノ粒子、ナンバーワンのリン輸送サービス
結論として、我々は、土壌中のオキシ水酸化鉄とアルミニウムのリン酸塩収着が、浸出水のリン濃度を制御することを発見しました。粒子相中のオキシ水酸化鉄とアルミニウムは不動であり、リン酸塩の結合はその移動を妨げます。ただし、これらのオキシ水酸化物はナノサイズの寸法を持ち、土壌溶液に存在する可能性があります。モバイルナノ粒子はリン酸塩にも結合するため、リンの移動と富栄養化が促進されます。私たちの表面錯形成モデルは、土壌中のリンのナノ粒子輸送を理解するための強力なツールでした。しかし、土壌中のナノ粒子の量、サイズ、および移動性を制御するメカニズムについては、まだ多くのことが発見されていません。
参考文献:
<オール>
