外源砷在土壤中的动态转化及对土壤微生物多样性的影响

摘要

【目的】土壤砷污染是当今全球十分严重的环境与健康问题之一。在农业生产中，砷主要通过工业“三废”、农药、化肥、有机肥等农业利用方式进入土壤。砷化合物进入土壤后，在化学与土壤微生物的作用下，发生形态和价态变化，进而改变其毒性和生物有效性。本文通过加入外源As(Ⅴ)、As(III)这2种典型无机砷，对其在石灰性土壤的动态转化规律与含量分布特征进行了研究，并在此基础上研究了酶活性、微生物群落结构与功能多样性以及有机物降解对不同砷浓度梯度的响应。研究结果不但可阐明石灰性土壤砷的动态转化规律与各形态分级砷含量分布特征以及砷对土壤生物影响浓度阈值，而且对今后维护砷污染农田土壤微生物生态多样性有基础理论支撑作用。
　　【方法】通过室内模拟的方法设不同剂量的As(Ⅴ)、As(III)。采用分级浸提的方法测定了外源砷在土壤中的形态转化；以土壤酶学的方法测定了不同剂量As(Ⅴ)、As(III)处理下土壤酶活性；利用BioLog微平板技术研究了砷污染对土壤生物代谢活性与功能多样性的影响；通过提取土壤DNA，PCR-DGGE的方法对土壤微生物遗传多样性进行了研究。采用物料袋等方法对不同浓度砷污染条件下有机碳降解特性进行了研究。
　　【主要结果】
　　1）石灰性土壤AE-As含量随As(V)、As(III)剂量的增加而显著增加，但随培养时间逐渐向Al-As、Fe-As、Ca-As形态而转化，且低剂量(≤180mg.kg-1)时转化速率慢，高剂量(≥280mg.kg-1)时转化速率快；各形态分级砷含量分布特征为：Ca-As＞Fe-As＞Al-As＞AE-As。
　　2）砷对蔗糖酶有刺激作用；碱性磷酸酶呈现“低砷刺激，高砷抑制”的生态效应；砷对过氧化氢酶有抑制作用，以它作为砷污染的指示酶可得各形态砷的生物毒性：AE-As＞Ca-As＞Al-As＞Fe-As，As(III)的生物毒性要大于As(V)的。
　　3)外源砷改变了土壤微生物功能结构多样性和真菌遗传多样性，其影响效应符合生态中度干扰理论。
　　4）As(V)、As(III)处理对大豆秸秆的降解率的影响总体表现为随外源砷剂量增加而降低，高浓度砷显著降低了大豆秸秆的降解，且As(III)对大豆秸秆的降解率大于As(V)处理。
　　【结论】外源砷不仅改变了石灰性土壤各形态砷含量分配比例，而且显著的影响了各形态砷在土壤中的转化速率，且As(Ⅴ)和As(III)在剂量效应上存在明显差异。不同土壤酶活性对As(Ⅴ)、As(III)与其剂量表现出刺激、抑制和无效应等响应特征，各形态砷的生物毒性表现为AE-As＞Ca-As的＞Al-As＞Fe-As，而且As(III)的生物毒性大于As(V)的。土壤微生物功能结构多样性和真菌遗传多样性随As(Ⅴ)和As(III)呈现出低浓度促进高浓度抑制的特征。砷显著降低了大豆秸秆的降解，且As(III)对大豆秸秆的降解率大于As(V)处理。

目录

封面

声明

中文摘要

缩略词及符号

英文摘要

目录

第一章 文献综述

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

总结

第二章 研究内容、研究方法及研究材料

2.1 研究内容

2.2 技术路线

2.3 研究材料

2.4 测试的指标及方法

2.5 数据分析

第三章 123团地方性重金属污染评价及剖面分布特征

3.1 研究地区概况

3.2 研究方法

3.3 结果与分析

3.4 讨论

3.5小结

第四章 不同剂量As(Ⅴ)、As(III)在土壤中的动态转化特征和规律

4.1 供试材料

4.2 研究方法

4.3 高砷背景下不同剂量As(V) 、As(III)在土壤中的转化

4.4 低砷背景下不同剂量As(Ⅴ)、As(III)在土壤中的转化

4.5 As(III)、As(Ⅴ)在2种土壤中各形态含量分布特征

4.6 不同形态砷在土壤中随时间转化动态模拟

4.7 讨论

4.8 结论

第五章 不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对土壤酶活性的影响

5.1 供试材料

5.2 研究方法

5.3高砷背景下不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对土壤酶活性的影响

5.4低砷背景下不同剂量砷As(Ⅴ)、As(III)对土壤酶活性的影响

5.5 土壤各形态砷与土壤酶活性间的关系

5.6 讨论

5.7 小结

第六章 不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对土壤微生物代谢功能多样性和真菌群落结构多样性的影响

6.1 供试材料

6.2 研究方法

6.3 不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对土壤微生物群落的AWCD值变化

6.4 不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对土壤微生物代谢功能多样性的变化

6.5不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对土壤真菌群落结构的影响

6.6 讨论

6.6 小结

第七章 不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对有机质降解的影响

7.1 供试土壤

7.2 研究方法

7.3 高砷背景下不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对有机质降解率的影响

7.4 低砷背景下不同剂量As(Ⅴ)、As(III)对有机质降解率的影响

7.5 讨论

7.6 小结

第八章 主要结论与研究展望

8.1 主要结论

8.2 研究展望

参考文献

致谢

作 者 简 历

导师评阅表