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Mechanisms and reversibility of glyphosate and phosphorus ligands sorption on Al2O3: Experimental evidence and computational modeling.
Water Res · 2026 · 289:124799 · PMID 41110437 · 등급6 세포·모델 모델링연구 · 환경과 생태 > 토양 거동 · AMPA
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글리포세이트(Gly)의 환경적 거동 및 위험성은 토양-물 계면에서의 잔류성에 의해 결정적으로 영향을 받는다. 알루미늄 산화수산화물($\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{Al}(\text{OH})_3$, $\text{AlOOH}$)은 토양에 풍부하지만, 지화학 모델링에서 Gly에 대한 이들의 흡착 메커니즘은 철 산화수산화물보다 상대적으로 적게 주목받아 왔다. 본 연구는 결합된 실험-표면 착화 모델(SCM)-밀도범함수이론(DFT) 접근법을 활용하여 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 표면에서의 Gly와 다양한 인산염 리간드(개별적 및 경쟁적)의 착화를 체계적으로 조사하였다. 광범위하게 연구된 인산염($\text{PO}_4$) 외에도, 포스포네이트기(-$\text{PO}_3$)를 포함하는 아미노메틸포스폰산(AMPA)과 포스폰산($\text{HPO}_3$)을 모델에 도입하였다. 개별 흡착의 경우, SCM 및 DFT 결과는 pH 및 로딩량 의존적인 착화 구조를 일관되게 보여주었으며, 이는 철 광물 연구와 비교 가능하면서도 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 특이적 지식 격차를 메웠다. DFT는 $\text{Al}_2\text{O}_3(110)$ 표면에서의 Gly 및 $\text{PO}_4$에 대한 전체 pH 에너지 분석을 제공하였으며, 특히 높은 pH 조건에서 카르복실레이트(-$\text{COO}$) 단자리 착화를 통한 Gly의 우수한 안정성을 나타냈다. 결정적으로, 본 연구에서 이러한 경쟁적인 유기-무기 시스템에 최초로 적용된 SCM 모델은 약하게 흡착되는 종(Gly, AMPA)에 대한 흡착 비가역성을 확인하였고, 높은 로딩량에서 단자리 배위와 비가역성 간의 명확한 연관성을 제시하였다. DFT 결과는 낮은 로딩량에서의 열역학적 경쟁 메커니즘을 규명하였다. 이러한 통찰은 알루미늄이 풍부한 토양 매트릭스 내 Gly의 환경적 흡착 거동을 정밀하게 예측하고 규명하는 길을 열어준다.
ORIGINAL ABSTRACT
The environmental fate and risk of glyphosate (Gly) are critically influenced by its retention at soil-water interfaces. While aluminum (oxyhydr)oxides (Al2O3, Al(OH)3, AlOOH) are abundant in soils, their adsorption mechanisms for Gly have received considerably less attention than iron (hydr)oxides in geochemical modeling. This work employs a combined experimental-surface complexation model (SCM)-density functional theory (DFT) approach to systematically investigate the complexation of Gly and various phosphorus ligands (individually and competitively) on Al2O3. Beyond the widely studied phosphate (PO4), we also introduce the aminomethylphosphonic acid (AMPA) and phosphonic acid (HPO3), both containing phosphonate groups (-PO3), into the framework. For individual adsorptions, SCM and DFT results consistently reveal pH- and loading-dependent complexation structures, comparable to iron mineral studies while filling Al2O3-specific knowledge gaps. DFT provides a full-pH energy analysis for Gly and PO4 on the Al2O3(110) surface, specifically indicating the superior stability of Gly via carboxylate (-COO) monodentate complexation under high pH. Crucially, our SCM model, as first applied in such competitive organic-inorganic systems, identifies the adsorption irreversibility for weakly adsorbed species (Gly, AMPA) and explicitly links monodentate coordination to irreversibility at high loadings. DFT results elucidate the thermodynamic competition mechanisms at low loadings. These insights pave the way in precisely predicting and elucidating the environmental adsorption behavior of Gly at aluminum-rich soil matrix.
저자Wang, M.; Wang, L.; Martin, P. R.; Buchner, D.; Lützenkirchen, J.; Meixner, A. J.; Haderlein, S. B.
저널Water research
권·호·쪽289(Pt A), 124799
PMID41110437
DOI10.1016/j.watres.2025.124799
MeSHGlyphosate; Glycine; Adsorption; Aluminum Oxide; Ligands; Phosphorus; Soil
APA 7판
Wang, M., Wang, L., Martin, P. R., Buchner, D., Lützenkirchen, J., Meixner, A. J., & Haderlein, S. B. (2026). Mechanisms and reversibility of glyphosate and phosphorus ligands sorption on Al2O3: Experimental evidence and computational modeling. Water Res, 289(Pt A), 124799. https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124799
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