大柳塔煤矿土壤砷污染特征及修复效应研究

摘要

煤炭在开采、加工、运输和利用过程中，所含污染物砷进入到土壤、大气和水体环境，并发生迁移和转化，对矿区生态系统构成威胁。研究煤炭开采及利用过程中砷向环境的迁移转化特征及砷污染对矿区土壤生态系统的影响是矿区生态环境恢复与重建的前提，为进一步解决砷污染技术问题提供理论依据。论文以内蒙古大柳塔煤矿中等含砷煤及受砷污染土壤生态系统为研究对象，采用现场调查取样、实验室研究、现场种植试验、理论分析等手段与方法，对大柳塔煤矿土壤砷污染特征及修复效应问题进行了系统研究。
　　采用电子显微和X射线衍射等技术对煤样的矿物组成进行了分析，研究区煤种为长焰煤，平均含砷量9.185μg/g;采用微波消解-原子荧光光谱法对研究区煤及土壤中砷的含量和赋存形态进行表征，煤中砷的各形态含量依次为残渣态(41.96％)＞硫化物结合态(31.01％)＞有机结合态(24.19％)＞水溶态(2.65％);土壤中砷的各形态含量依次为O-As(60.75％)＞Ca-As(14.49％)＞Fe-As(9.97％)＞Al-As(6.64％)＞A-As(1.50％)＞H2O-As(0.26％);通过源解析研究大柳塔煤矿土壤砷污染特征，大柳塔煤矿土壤砷污染主要来源于煤中有效态砷，通过矸石的堆放、淋溶与风化及燃煤电厂飞灰扩散等途径污染土壤，土壤有效态砷含量占总砷含量的34.61％;利用PCR-DGGE技术，对矿区土壤微生物群落进行丰度和数量研究，在矿区偏碱性土壤生态系统条件下，砷对Caulobacter(柄杆菌属)、Firmicutes（厚壁菌门）等微生物群落抑制明显，Cystobacteraceae(sp.)（孢囊杆菌科菌株）等为特有耐砷微生物群落;通过野外调查、种植试验等，研究了土壤中砷对植物多样性的影响及优势复垦植物对砷污染土壤的修复效应，研究区土壤生态修复的优势植物以狗尾草为主，经狗尾草修复后，土壤中砷含量去除率最高可达81.6％，狗尾草对砷的富集系数最高为0.77，对砷的转移系数最高为1.5。研究成果对煤矿区砷污染源解析、风险评价及土壤生态修复具有一定的理论意义和应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 煤中砷的含量及赋存特征研究进展

1．2．2 煤中砷燃烧条件下的析出规律研究进展

1．2．3 砷在燃煤产物中的富集特征研究进展

1．2．4 矿区土壤砷污染研究进展

1．2．5 土壤中砷与微生物的相互作用研究进展

1．2．6 土壤砷污染的植物修复技术研究进展

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 大柳塔煤矿土壤砷污染特征研究

2．1 大柳塔煤矿概况分析

2．1．1 自然环境概况

2．1．2 煤层及煤质概况分析

2．2 煤的矿物结构特征分析

2．3 煤中砷含量及赋存形态表征

2．3．1 煤中砷的含量表征

2．3．2 煤中砷的赋存形态表征

2．3．3 燃煤产物中砷的赋存形态表征

2．4 煤中砷与显微组分的结合及其释放特性研究

2．4．1 煤的显微组分分析

2．4．2 煤中砷与有机、无机显微组分相关性研究

2．5 土壤生态系统中砷的赋存特征研究

2．5．1 样地的选择与采样

2．5．2 土壤样品的预处理

2．5．3 土壤基本理化性质与砷含量的测定

2．5．4 土壤砷的分布特征分析

2．5．5 土壤砷的赋存形态表征

2．5．6 土壤砷含量与理化性质相关性研究

2．6 土壤砷污染源解析

2．6．1 土壤砷污染淋溶实验研究

2．6．2 土壤砷污染预测模型解析

2．7 土壤对砷的吸附动力学实验研究

2．8 不同污染负荷土壤对砷的等温吸附特性研究

2．9 本章小结

3 砷对土壤微生物群落的影响研究

3．1 土壤微生物群落PCR-DGGE分析

3．1．1 土壤样品的预处理

3．1．2 微生物PCR-DGGE技术与应用研究

3．1．3 土壤微生物PCR-DGGE实验研究

3．2 土壤微生物群落多样性分析

3．3 土壤微生物种类与聚类分析

3．4 砷对土壤微生物作用机理

3．5 本章小结

4 砷对植物多样性的影响研究

4．1 植物生态分析与砷含量的测定

4．1．1 植物生态分析样地的选择

4．1．2 植物样品的预处理

4．1．3 植物样品砷含量的测定

4．2 砷对植物多样性的影响

4．3 植物对砷的富集与运移规律研究

4．4 砷对植物的毒理分析

4．5 土壤、微生物、植物之间的相互作用关系研究

4．5．1 土壤微生物菌群数量分析

4．5．2 土壤砷含量、微生物、植物量相关性研究

4．6 本章小结

5 土壤砷污染修复效应研究

5．1 种植试验与方法

5．1．1 试验样地的选取

5．1．2 优势植物种植试验研究

5．1．3 样品采集与预处理

5．1．4 测定指标及方法

5．2 优势植物对砷污染土壤生态系统修复效应研究

5．2．1 狗尾草对土壤的改良效应

5．2．2 狗尾草对土壤微生物菌群的修复效应

5．2．3 狗尾草对砷的富集效应

5．2．4 狗尾草对砷的转移效应

5．2．5 狗尾草对土壤中砷的去除效应

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

作者简历

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