铁还原菌对土壤胶体与砷相互作用的影响研究

摘要

砷是一种普遍存在的有毒元素，能被土壤胶体有效吸附，但铁还原细菌对土壤胶体中含铁矿物的还原作用会引起砷的释放。水稻土作为一种典型的厌氧环境，铁还原对水稻土砷迁移转化的影响引起了越来越多的关注。目前，国内外研究主要集中于铁还原细菌的筛选、铁还原细菌作用下铁和砷形态转化、铁氧化物对砷的吸附等方面，对于高砷酸性矿山废水影响下水稻土微生物群落变化，铁还原细菌对胶体性质变化和土壤胶体与砷的相互作用的影响，铁还原细菌在不同pH条件下对砷、铁释放的影响研究相对较少。基于此，本研究通过高通量测序技术，研究水稻土中铁还原细菌分布和高砷酸性矿山废水灌溉的水稻土微生物群落结构及多样性变化；通过土壤胶体悬液恒温厌氧培养试验，研究铁还原菌对土壤胶体性质和砷吸附的影响；以载砷土壤胶体为研究对象，探究酸性和中性条件土著微生物和金属还原地杆菌（Geobacter metallireducens，GS-15)作用下铁和砷释放的规律。研究得出如下结论： （1）污灌区土壤受酸性矿山废水的影响，造成微生物多样性指数显著降低，OUT数与土壤pH呈显著正相关关系，OUT、Chao1和ACE指数与土壤As含量呈显著负相关关系；AMD影响下微生物群落结构发生明显变化，嗜酸细菌和Fe、S代谢细菌在污灌区相对丰度较高；水稻土中共发现19种铁还原菌属，主要包括地杆菌属、厌氧粘细菌、脱硫芽孢弯曲菌属等。 （2）厌氧培养实验表明，铁还原细菌GS-15和土著微生物均使土壤胶体粒径变小、比表面积增大，铁矿物含量下降；GS-15细菌作用下Zeta电位减小，土著微生物作用下胶体悬液Zeta电位增大；土壤胶体的表面形貌无明显变化。 （3）GS-15使胶体悬液pH先降低后升高，而土著微生物作用下pH明显升高；GS-15和土著微生物均使土壤胶体悬液Eh显著降低，铁还原率显著升高。GS-15和土著细菌作用下厌氧培养前期As的最大吸附量较对照试验降低，随着培养时间增加，细菌作用下胶体对As的吸附能力增强，至培养21天后各处理As吸附量无明显差异。 （4）初始pH=3的载砷土壤胶体悬液pH、Eh变化不大，各处理Fe(Ⅱ)浓度无显著差异；初始pH=7时，随培养时间的增加pH升高，Eh降低，土著微生物作用下Fe(Ⅱ)浓度较对照升高了0.62~32.26mg.L-1；GS-15作用下Fe(Ⅱ)浓度至培养21天后较对照升高了2.57~23.21mg.L-1。 （5）初始pH=3的载砷土壤胶体主要以As(Ⅴ)形式快速释放，而初始pH=7时主要以As(Ⅲ)形式释放。中性条件土著微生物作用下As释放量较对照升高了0.01~2.04mg.L-1；随培养时间增加，GS-15作用下As释放量也增加。中性条件下土壤胶体悬液中Fe(Ⅱ)与总As存在显著正相关性。

目录

第一章 引言

1.1土壤胶体对砷的吸附作用

1.1.1 土壤胶体

1.1.2 砷及其危害

1.1.3 土壤胶体对砷的吸附作用

1.2 铁还原菌对铁氧化物胶体的影响

1.2.1 铁还原细菌

1.2.2 铁还原细菌对铁氧化物的还原

1.2.3 铁还原菌对胶体组成及性质的影响

1.3铁还原菌对铁和砷的地球化学行为的影响

1.3.1 铁还原细菌作用下铁砷还原及再固定

1.3.2铁还原菌对水稻土铁和砷环境化学行为的影响

1.4 主要研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目的与意义

1.4.3 技术路线

第二章 稻田土壤微生物与胶体的相互作用

2.1材料与方法

2.1.1 供试材料

2.1.2 微生物群落结构和多样性分析

2.1.3 土壤胶体性质变化

2.1.4 分析方法

2.2 结果与分析

2.2.1 AMD灌溉水稻土基本理化性质变化

2.2.2 AMD灌溉水稻土微生物多样性变化

2.2.3 AMD灌溉水稻土微生物群落结构变化

2.2.3水稻土铁还原菌的分布

2.2.4铁还原菌对土壤胶体性质的影响

2.3本章小结

第三章 铁还原菌对土壤胶体砷吸附的影响

3.1 材料与方法

3.1.1试验试剂与仪器

3.1.2实验方法

3.1.3分析方法

3.2 结果与分析

3.2.1 细菌对土壤胶体悬液pH和Eh的影响

3.2.2 细菌对土壤胶体铁还原的影响

3.2.3 细菌对胶体砷吸附的影响

3.3 本章小结

第四章 铁还原菌对载砷土壤胶体铁砷释放的影响

4.1材料与方法

4.1.1 实验材料

4.1.2 实验方法

4.2结果与分析

4.2.1细菌对载砷胶体pH和Eh的影响

4.2.2 铁还原细菌对载砷胶体Fe(II)释放的影响

4.2.3 载砷胶体砷的释放

4.2.4 Fe(II)对As释放的影响

4.3本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

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