磷在黑炭中遵循自生礦物生長途徑的生地化循環與富集( I )

磷與鈣的生地化循環研究，多採用萃取分離的方法，在晶相不佳的自然樣品中,難以直接找到生地化循環與化學相轉變的直接證據。磷與鈣在黑碳中 經過自生途徑產生類似骨頭的磷灰石礦物的現象，不曾被報導過。初步研究結果發現，來自迦納的非洲黑土中，有磷與鈣在黑炭中異常富集的現象，磷和鈣遵循自生成礦途徑在黑炭裡形成氫氧基磷灰石。利用同步輻射X光耦合的奈米三維斷層掃描分析，我們揭示了此礦物發育之完整結晶 過程，並提出此類似骨頭的磷灰石(B-type carbonate deficient Hydroxyapatite)在黑碳中自生生長的成礦模型。我們推測黑碳表面的活性官能基團提供了獨特的微觀環境，有利與鈣離子、磷酸氫根離子在有機碳活性表面濃度的升高, 進而開始衍生不定形(非晶質)的磷酸鈣沉澱，在結核的基礎上，進一步自生生長出類似骨頭的磷灰石礦物。非晶質磷酸鈣從奈米尺度的等向結晶開始，在克服表面能障礙後, 經歷非等向結晶並發育出微米尺度晶形良好的針狀礦物，此類似骨頭的磷灰石礦物可以在合適的條件下持續自生生長, 在黑炭空隙擴展直至充滿黑碳燃燒後殘存的植物結構。磷、鈣自生礦物的生長, 是三維空間的元素富集以及在黑炭內循環，此模型可以從機理上解釋富含黑炭的亞馬遜黑土和非洲黑土數百年到千年的養分富集和長期肥力的奇妙現象，也給磷、鈣的生地化循環和碳固持，帶來全新的觀點與應用角度。黑炭和磷、鈣質的結合應用，會是深具潛力的土壤改良與復原的措施。本研究結合正在執行的2019-2020的科技部計劃，擴展提出兩年研究計劃，並在2019-2020年 （Year 1, current ongoing MOST project）基礎上繼續解析並完善磷灰石在黑炭表面形成自生礦物的模型和養分富集的機理；在2020-2021年（Year 2），將解析類似骨頭磷灰石在實驗室及野外的自生生長的實驗條件，具體是pH, Ca, P的濃度，黑炭表面官能基及製備溫度的對磷灰石沉澱的影響； 研究綜合採用高解析度X光穿透顯微鏡及多種光譜電鏡等技術，利用實驗室調控實驗，模擬並解析磷灰石礦物在黑炭中的自生成礦並富集的機制，為大規模的磷、鈣、碳生地化耦合循環提供精準的機理性解釋 。在2021-2022 (Year 3)， 擬將細化應用並進行跨領域合作，特別是和化學、環工及醫工的研究人員合作，在統整研究結果的基礎上，發展高效的碳材、仿生骨材。