植酸在不同沉积物、矿物材料和土壤中的行为研究

摘要

随着我国养殖业的高速发展，含有丰富植酸的禽畜废弃物大量进入环境。同时，工业的高速发展和不合理施肥导致我国土壤中重金属的污染问题日益严峻，造成农田荒芜、水体污染的现象屡见不鲜，严重制约了我国农业和社会经济的可持续发展。植酸作为优良的螫合剂和抗氧化剂在食品、化工和重金属污染治理方面表现着不可忽视的作用。随着科学技术水平的不断进步，植酸的测定技术日臻成熟为研究植酸在环境中的行为提供了有力手段。近年来，植酸与环境介质中重金属的作用已成为研究热点。本研究通过野外调查，探讨了典型农田和淡水生态系统中植酸酶的分布特点，磷素及植酸的分布行为和赋存形态;通过实验室批处理实验，研究了植酸在矿物材料和土壤界面的吸附解吸特性及其重金属结合形态的变化特征;采用小麦土壤盆栽试验，研究了As污染土壤上植酸对植物体抗氧化酶系统和重金属在植物体内的分布变化的影响。获得的主要结果如下:
　　(1)自然湖泊梁子湖不同沉积物中，IP（Inorganic Phosphorus）含量占TP(TotalPhosphorus)的40-71％，而OP(Organic Phosphorus)的含量比较低，仅占13％-45％。梁子湖入水口处IP的含量分布表现为，0.8 m以上沉积物部分为HCl-P≈NaOH-P，而0.8 m以下沉积物部分为HCl-P＞NaOH-P，而在出水口的趋势相反。OP组分在梁子湖和月湖中都表现为MLOP＞MROP＞LOP。
　　(2)分析磷素在不同年代沉积物中的积累特征发现，在2ka.BP以来TP和植酸含量不断增加，在2-4 ka.BP之间先迅速增加而后趋于稳定，而8.6 ka.BP之前(4.5m以下)磷的含量处于较低水平，这一结果表明，沉积物中TP和植酸的含量变化可以较准确的反映沉积物中磷的输入历史。
　　(3)在城市湖泊月湖中，表层沉积物中TP的含量居民生活干扰区(YH1)明显高于非生活干扰区(YH2)。月湖沉积物中IP的NaOH-P基本相当，但在居民生活干扰区表层HCl-P含量明显高于非干扰区。月湖沉积物中OP主要是MLOP，各组分表现为MLOP＞LOP，MROP。月湖沉积物中植酸含量和植酸酶的活性随深度的增加而逐渐降低，在表层土壤中（1m以上）生活干扰区植酸含量和植酸酶的活性均大于非干扰区。研究结果还表明在城市湖泊中的磷主要富集于表层沉积物中。
　　(4)农田土壤剖面磷素的分布特征分析表明，农田土壤磷素均表现出强烈的淋溶并在土层中、深层积累的特征。梁子湖周边两种土壤（水稻土和旱地油菜）剖面的磷素积累特征基本一致，表现为磷素分别在表层（0.4m以上）和下层（1.4m以下）积累，而水稻土下层磷素积累明显高于油菜田土壤。与沉积物不同，梁子湖区土壤IP含量NaOH-P＞HCl-P，而Q4母质发育的2种菜地土壤（长江沿岸）为HCl-P＞NaOH-P。与湖泊沉积物有机磷组分变化类似，土壤的有机磷亦表现出MLOP＞LOP，MROP的含量，其中MLOP含量变幅较大，是土壤有机磷的活跃形态。但各种土壤LOP和MROP的含量比湖泊沉积物显著提高。值得注意的是，农田土壤植酸含量明显低于湖泊沉积物的植酸含量，但植酸酶活性与湖泊沉积物基本相当。
　　(5)植酸与重金属以及矿物材料之间作用的批处理研究表明，植酸、重金属离子和矿物材料相互作用显著影响环境中重金属的界面行为。四种矿物材料（钢渣、含铁锰矿、蒙脱石、针铁矿）对3种重金属(Cd、As、Zn)的最佳吸附温度为25℃，吸附饱和时间为24h，四种矿物中钢渣和铁锰矿对重金属的吸附效果最佳。植酸与Cd和As的络合吸附过程降低了重金属在矿物材料表面的吸附作用，其中对As、Cd吸附影响最大的蒙脱石，植酸浓度为2mM时蒙脱石对As和Cd的吸附率分别降低了100％和53％。而植酸与Zn的络合沉淀过程反而增加了Zn与矿物材料的吸附作用，在四种矿物材料中，植酸的添加增加了矿物对Zn的吸附。
　　(6)植酸、重金属及不同类型土壤之间的相互作用研究发现，添加植酸降低四种土壤（红壤、灰潮土、褐土、黑土）对重金属Cd和As的吸附，其中以红壤和灰潮土最为明显;同时植酸对四种土壤重金属的解吸率最高可达98.8％。随着添加植酸浓度的上升，Zn的吸附率升高而解吸率下降，且低于Cd和As的解吸率。
　　(7)培养试验结果表明，加入植酸后，在酸性红壤和黑土中，四种金属As、Cd、Pb和Zn中随着培养时间的延长有效态含量逐渐升高，而碱性土壤灰潮土和褐土中四种重金属的有效态逐渐下降。重金属形态分析结果表明，Cd，Pb，Zn以可还原态和可交换态变化较大，而As以专性吸附、非专性吸附和残渣态的变化最大。
　　(8)在As污染土壤中，添加植酸可促进小麦生长。小麦体内As的累积随着植酸的添加有不同程度的降低（18.8％-98.9％）。添加植酸还显著降低小麦叶片中MDA含量。

目录

论文说明

声明

摘要

缩略词及植物拉丁名

第一章 前言

1 土壤及沉积物中磷素形态分级研究进展

1．1 磷素形态

1．2 磷素形态分级方法

1．3 分级方法的应用

1．4 磷素分级研究展望

2 磷素的环境行为与水体污染关系评述

2．1 磷素的循环

2．2 土壤中磷素的环境行为与水体污染

2．3 沉积物磷素的环境行为与水体污染

2．4 水体中磷素的环境行为与水体污染

2．5 大气(沉降物)中磷素与水体污染

2．6 展望

3 植酸的环境地球化学研究进展

3．1 来源和含量

3．2 植酸的生物有效性

3．3 植酸与环境矿物和重金属的相互作用(界面过程)

3．4 展望

第二章 课题选题及研究内容

1 研究目的及意义

2 立项背景

3 研究内容

4 技术路线

第三章 不同生态类型和年代沉积物磷素形态分布特征的比较研究

1 材料与方法

1．1 研究区域概况

1．2 样品采集

1．3 化学分析方法

1．4 年代测定方法

1．5 数据分析与统计

2 结果与分析

2．1 沉积物中TP的含量分布

2．2 沉积物中IP及其组分分布

2．3 沉积物中OP及其组分分布

2．4 沉积物中植酸和植酸酶活性的分布

2．5 沉积物中P组分、植酸及植酸酶活性的相关性分析

3 讨论

4 结论

第四章 不同生态类型土壤磷素形态分布特征的比较研究

1 材料与方法

1．1 研究区域

1．2 样品采集

1．3 化学分析方法

1．4 数据分析与统计

2 结果与分析

2．1 土壤中TP的含量分布

2．2 土壤中IP及其组分分布

2．3 土壤中OP及其组分分布

2．4 土壤中植酸和植酸酶活性的分布

2．5 土壤中P组分，植酸及植酸酶活性的相关性分析

3 讨论

4 结论

第五章 植酸对不同矿物材料对重金属的吸附解吸的影响

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 实验设计

1．3 化学分析方法

1．4 数据分析与统计

2 结果与分析

2．1 不同时间和温度条件下矿物材料对重金属的吸附的影响

2．2 植酸对不同矿物材料对重金属的吸附解吸的影响

3 讨论

4 结论

第六章 植酸对土壤中重金属吸附解吸的影响

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 实验设计

1．3 化学分析方法

1．4 数据分析与统计

2 结果与分析

2．1 植酸对不同土壤重金属吸附解吸的影响

2．2 不同提取时间条件下植酸对土壤重金属的释放和固定的影响(48h)

2．3 随时间变化污染土壤重金属形态的变化(90d)

3 讨论

3．1 植酸对不同土壤重金属吸附解析的影响

3．2 植酸对不同土壤重金属形态变化的影响

4 结论

第七章 植酸对人工As污染土壤中小麦生长的影响

1 材料与方法

1．1 实验材料

1．2 实验设计

1．3 化学分析方法

1．4 数据统计与分析

2 结果与分析

2．1 植酸对As污染土壤中小麦生物性状的影响

2．2 植酸对As污染土壤中小麦重金属吸收的影响

2．3 植酸对As污染土壤中小麦酶系统的影响

3 讨论

4 结论

第八章 总结

1 主要结论

2 研究特色和创新点

3 研究前景展望

参考文献

攻读博士学位期间撰写的论文

致谢