可溶性有机质与汞的络合及氧化/还原作用机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 卞永荣
|
| 答辩日期 | 2018 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 朱波 |
| 关键词 | 汞 甲基汞 可溶性有机质 水稻 有机肥 |
| 学位专业 | 土壤学 |
| 其他题名 | Mercury oxidation-reduction and Complexation with Dissolved Organic Matter |
| 英文摘要 | 汞（Hg）是毒性最强的重金属元素之一，以多种形态赋存，其中易于在厌氧环境中转化产生的甲基汞毒性最强。水稻作为我国南方地区主要的粮食作物，其长期淹水的缺氧环境为厌氧菌的汞甲基化提供了条件。由于稻米对甲基汞具有富集特性，食用受甲基汞污染稻米是当地居民甲基汞的主要暴露途径。有机肥在水稻生产过程中大量施用导致可溶性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）在稻田系统中广泛存在，而DOM对环境中汞的形态分布、生物有效性至关重要，并影响甲基汞的形成。因此，探究稻田土壤中DOM对汞转化的影响机制，探讨农艺措施特别是施用有机肥与矿物-有机复合肥对水稻籽粒中甲基汞累积效应的影响与机理，对保障人体健康具有重要的理论与实际意义。本文采用室内批处理实验，模拟稻田厌氧环境，研究了厌氧与有氧条件下DOM对Hg(II)的还原反应与速率，分析影响Hg(II)还原的因素；研究了厌氧与有氧条件下DOM对Hg(0)诱导氧化络合作用及反应速率，推断其反应机制；采用温室盆栽实验，研究了干湿交替和厌氧腐熟有机肥对水稻土中汞的形态转化及水稻不同部位汞/甲基汞累积的影响；分析了海泡石和厌氧腐熟矿物-有机复合肥对水稻土中汞的形态转化及降低水稻不同部位汞/甲基汞累积效应。主要研究结果与结论如下：1. DOM对Hg(II)的还原反应结果表明：（1）还原态DOM（还原态胡敏酸和还原态富里酸）的还原容量高于氧化态DOM。还原态胡敏酸和富里酸对Hg(II)还原的最佳浓度分别是0.2 mg L-1和1.5 mg L-1。低于最佳浓度时，Hg(II)还原量均随还原态DOM浓度的增加而增加；而高于最佳浓度时，由于发生巯基竞争性络合作用，Hg(II)还原量均随还原态DOM浓度的增加而减少，胡敏酸浓度在5 mg L-1时不能将Hg(II)还原成Hg(0)。可见，还原态胡敏酸和富里酸对Hg(II)还原和络合过程中扮演双重角色。（2）还原态DOM对Hg(II)的还原反应动力学表明：可溶性有机碳（DOC），低摩尔比(DOC:Hg(II)= 400:1）时，还原反应速率胡敏酸大于富里酸；高摩尔比（DOC:Hg(II) = 10000:1）时，胡敏酸对Hg(II)的还原反应停止，甚至向相反方向进行。2. 还原态DOM与Hg(0)的相互作用研究表明：腐殖酸浓度增加时，Hg(0)含量减少；当胡敏酸和富里酸浓度分别增加至5 mg L-1和10 mg L-1时，样品中未检测到Hg(0)。回收率实验表明，还原态DOM与Hg(0)发生诱导氧化络合反应。氧化态DOM对Hg(0)氧化作用相对较弱，含量达到40 mg L-1时，仅消耗20% Hg(0)。还原态胡敏酸和Hg(0)的反应动力学符合假一级动力学，反应速率胡敏酸大于富里酸。在pH = 7.0和3.5时，胡敏酸与Hg(0)的反应容量分别是3.5 μmol g-1和1.6 μmol g-1。还原态胡敏酸和Hg(0)相互作用，发生巯基或双硫键诱导性氧化络合作用，其对稻田汞的形态转化、氧化还原过程及生物可利用性具有重要意义。3. 干湿交替和有机肥对水稻土中汞形态转化及水稻中汞/甲基汞累积影响的研究表明：（1）干湿交替（AWD）和1%豆饼粉有机肥（BOM1）增加了汞的土/气交换，1%鱼粉肥（FOM1）、2%豆饼粉肥（BOM2）和2%鱼粉肥（FOM2）减弱汞的土/气交换，水稻土总汞损失为：AWD (43%) > BOM1 (41%) > Control (38%) > FOM1 (33%) > BOM2 (26%) > FOM2 (25%)；有机肥施用导致水稻土的甲基汞含量显著增加，各处理的土壤甲基汞为：AWD(7.41 μg kg-1) < Control(10.43 μg kg-1) < BOM1(16.80 μg kg-1) < FOM1(24.10 μg kg-1) < BOM2(33.53 μg kg-1) < FOM2(38.46 μg kg-1)；施用鱼粉有机肥的水稻土甲基汞含量显著高于施用豆饼肥的水稻土，可能因鱼粉有机肥含硫量高，促进水稻土的硫还原菌生长，增加水稻土中汞甲基化所致；同时，施用有机肥增加了水稻土的甲基汞/汞比例。（2）有机肥施用后，水稻不同部位总汞累积差异显著，根部最高(2812.83 μg kg-1)，其次是糙米(336.78 μg kg-1)和茎叶(300.44 μg kg-1)。施用豆饼粉肥(1%、2%)与鱼粉肥(1%、2%)对水稻籽粒富集总汞差异不显著。施用有机肥后，水稻不同部位累积甲基汞的能力不同，表现为籽粒(180.06 μg kg-1) >根(59.71 μg kg-1) >茎叶(38.97 μg kg-1)。不同类型有机肥施用均增加籽粒中甲基汞含量，与对照相比分别增加BOM1 (16.1%) < FOM1 (19.3%) < BOM2 (41.5%) < FOM2 (57.9%)，鱼粉有机肥增加幅度大于豆饼粉肥，可能鱼粉肥中含有较多巯基化合物，腐熟后形成大量巯基小分子氨基酸，同时巯基丙氨酸是植物体内蛋白的基本组成，其与甲基汞结合将甲基汞转运到稻米中，同时稻米中甲基汞浓度与水稻土中甲基汞含量呈正相关。4. 海泡石和矿物-有机复合肥（海泡石与有机肥堆制而成）施用对水稻土汞赋存形态与水稻汞/甲基汞累积及其分配的对比研究表明：（1）矿物和矿物-有机复合肥减少水稻土中汞的土/气交换，总汞浓度最高是2%鱼粉矿物-有机复合肥，其次是1%鱼粉矿物-有机复合肥、2%豆饼粉矿物-有机复合肥、1%豆饼粉矿物-有机复合肥和海泡石，与仅施用有机肥相比，矿物-有机肥增加水稻土中总汞持留5~10%，降低水稻土甲基汞含量5%~25%，其中，鱼粉矿物-有机复合肥降幅最大，可能矿物与巯基化合物结合降低甲基汞迁移性。（2）矿物-有机复合肥施用，水稻不同部位总汞浓度为：根(1473.67 μg kg-1) >籽粒(282.33 μg kg-1) >茎叶(217.83 μg kg-1)，与仅施用有机肥对比，根部总汞浓度显著降低50%。此外，水稻不同部位甲基汞含量为：糙米(114.79 μg kg-1) >根(34.83 μg kg-1) >茎叶(18.17 μg kg-1)，说明矿物-有机肥显著降低了水稻对甲基汞的富集，矿物-有机鱼粉肥对糙米中甲基汞浓度降低最明显，比对照降低50%，与仅添加有机肥相比，2%鱼粉矿物-有机复合肥效果最好，籽粒中甲基汞浓度降幅达65%；糙米中甲基汞浓度与土壤中甲基汞浓度呈现负相关关系，这可能由于施用矿物-有机复合肥后，降低了水稻土中甲基汞迁移性，进而减少稻米对甲基汞的富集。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 101 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/24771]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 卞永荣. 可溶性有机质与汞的络合及氧化/还原作用机制[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：成都山地灾害与环境研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。