生物炭对土壤锑形态及生物有效性的影响研究

摘要

锑(Sb)是一种剧毒重金属，由于人为活动导致土壤中的Sb含量不断增加，过量的Sb摄入将会威胁人类健康。近年来，生物炭(BC)已被广泛用于重金属污染土壤的修复。然而，在Sb污染土壤中，BC的作用机制还不够明确。因此，明确BC对Sb在土壤中行为的影响及其机制，将有助于为BC的有效应用提供更多的理论依据。本研究的具体研究内容如下: (1)将500℃高温缺氧条件下制备的麦秸秆炭(SBC)和果木炭(FBC)用于Sb矿区周围的受污染水稻土，分别用质量分数为0.5%、5%、10%的SBC和FBC对Sb污染的土壤进行为期130d的孵化，在孵化过程中采用连续化学萃取法和柠檬酸萃取法分别测定了Sb结合形态和价态变化。结果发现，两种不同材料制备的BC，其理化性质也具有差异，导致其对Sb的迁移影响存在差异。加入SBC孵化前20d与FBC孵化前50d，随孵化时间增长，Sb的迁移能力增大，柠檬酸可提取态3价Sb(Sb(Ⅲ))含量增大。加入SBC孵化20d与FBC孵化50d后，Sb的迁移降低，柠檬酸可提取态Sb(Ⅲ)含量降低。BC影响了土壤中柠檬酸可提取态的不同价态Sb含量，这将直接影响Sb对植物的毒性作用。 (2)为考察BC对Sb形态和价态变化的影响机制，对130d孵化过程中的土壤的理化性质进行分析。测定了孵化过程中土壤pH、Eh、电导率(EC)、阳离子交换量(CEC)和溶解性有机质(DOM)，对10%SBC孵化的土壤在不同培养时间的元素变化进行了测定。利用相关性分析和主成分分析的方法考察了Sb结合形态和价态变化与土壤理化性质变化的关系。结果发现，用10%BC孵化的土壤相比于用5%和0.5%BC孵化的土壤，土壤理化性质变化更为明显。在SBC孵化的前20d和FBC孵化的前50d，Sb的迁移能力增大可能是由于BC本身官能团的静电排斥作用，BC的有机质(OM)和官能团控制的氧化还原反应以及BC诱导的土壤中的阴离子竞争、静电排斥和生物还原作用。而SBC培养20d后和FBC培养50d后，土壤中Sb迁移能力降低可能是由于Sb与BC中的OM形成络合物、BC诱导的次生矿物沉淀和土壤中Sb与腐殖酸形成有机络合物。 (3)为进一步探究土壤微生物性质的变化对Sb形态及价态的影响内在机制，对形态变化与价态变化的转折点土壤样品的生物性质进行分析。采用传统细菌分离方法分离原土壤中的Sb氧化菌，通过测定孵化前后土壤微生物群落结构变化以及Sb氧化基因的表达情况。利用冗余分析与spearman相关性分析的手段，明确了BC诱导的土壤微生物群落结构以及Sb氧化基因的变化与Sb形态和价态变化的关系。结果发现，BC增大了土壤微生物的丰度，改变了不同水平微生物的相对丰度，影响了土壤微生物的群落结构。且BC增大了土壤Sb氧化基因(anoA)的相对丰度，微生物分离结果发现土壤中存在Sb氧化菌，这些细菌可能影响了Sb在土壤中的氧化还原。相关性分析结果表明某些微生物相对丰度的变化与Sb形态变化具有相关性，说明BC引起的土壤微生物的变化影响了Sb在土壤中的迁移。 (4)为探究BC对Sb生物有效性的影响，分别采用SBC和FBC孵化Sb污染土壤，以番茄为受试植物进行盆栽实验，采用连续提取方法测定了各孵化土壤中的Sb形态，并将土壤中Sb各形态含量与番茄植株中Sb的积累量进行相关性分析，通过测定番茄植株的叶片叶绿素含量、抗氧化酶活性以及番茄植株根细胞形态的变化，研究了BC对Sb污染土壤中番茄植株生理生化特性的影响。结果表明:添加10%SBC时，番茄根部Sb的积累与对照相比显著降低了66%(P<0.01)；加入10%FBC时，番茄根部Sb的积累量与对照相比显著降低了32%(P<0.01)；且各处理组中，番茄植株各器官中Sb的积累量均为根>叶>茎；两种BC改变了土壤中Sb的存在形态，且果木炭对Sb的形态变化影响更大。相关性分析表明:BC通过影响Sb在土壤中的存在形态影响了Sb的植物有效性；BC提高了番茄叶片叶绿素的含量，降低了叶片超氧化物歧化酶(SOD)的活性与过氧化物酶(POD)的活性，提高了过氧化氢酶(CAT)活性，而且缓解了番茄根部受Sb的胁迫。

目录

1 前言

1.1引言

1.2 土壤重金属污染

1.3 BC用于土壤重金属污染修复的应用

1.4土壤锑污染现状

1.5 土壤锑污染修复方法

1.6 BC用于土壤锑污染修复研究进展

1.7 研究目的意义、内容及技术路线

2 BC对土壤Sb形态和价态变化的影响

2.1 材料与方法

2.2 结果

2.3 讨论

2.4 本章小结

3 BC引起的土壤理化性质变化对Sb形态的影响

3.1 材料与方法

3.2 数据分析

3.3 结果

3.4 讨论

3.5 本章小结

4 BC引起土壤生物性质的变化对Sb形态的影响

4.1 材料与方法

4.2 结果与讨论

4.3 讨论

4.4 小结

5 生物炭对锑的生物有效性的影响

5.1 材料与方法

5.2 结果与分析

5.3 BC对Sb污染土壤中番茄生理生化指标的影响

5.4 讨论

5.5 结论

6 结论、创新点与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

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