赤泥和铁氧化细菌对水稻吸收镉和根表铁膜形成的影响研究

Iron plaque is a special structure of water plant adapting to flooded environment. It can not only prevent the absorption of heavy metals, but also serve as the nutrient element spool for plants. Thus, iron plaque is important to plant growth and development. Fe(II) and local redox conditions are the most critical factors affecting the formation of iron plaque. Red mud iron oxide bacteria (FeOB) maybe more closely related to the iron plaque formation because the red mud is rich in ferric oxide and the function of FeOB, which accelerate the iron circulation at soils and around roots. In this project, the influence of the forms of Cd in soils and paddy field water and the regularity of Cd distribution in rice by the addition of red mud or FeOB will be studied in field experiments and laboratory hydroponic experiments. Scanning electron microscope, atomic absorption spectrophotometer and chemical extraction method will be used in the experiments. The impact of red mud and FeOB to the formation of iron plaque in rice roots and the regularity of Cd distribution in rice will be mainly discussed. Sequentially, the relationship between red mud/FeOB and iron plaque formation will be revealed. The results will also provide evidence for treatment of soil heavy metal pollution with red mud and FeOB.

铁膜是水生植物适应环境所形成特殊结构，它不仅可以阻控植物吸收土壤中有害重金属，还可作为植物营养元素库。因而对植物生长有较大影响。在影响铁膜形成的众多因素中，Fe(II)和局部的氧化条件至关重要。赤泥中富含氧化铁，铁氧化细菌贞铁循环密切相关，因而它们可能与铁膜形成密切相关。本项目拟通过田间试验和室内水培试验，利用扫描电镜、原子吸收分光光度计、化学浸提法等方法，研究添加赤泥或铁氧化细菌后，对土壤、稻田水中镉形态的影响及镉在水稻中分布规律，重点探析赤泥和铁氧化细菌对水稻根表铁膜形成的影响及其对水稻吸收Cd的影响，从而揭示赤泥和铁氧化细菌与铁膜形成关系，探明其对水稻根系结构的影响，并为利用其治理土壤重金属污染提供科学依据。

随着稻田镉污染日益严重，镉在稻田中的不断富集，直接影响水稻生长和稻米品质，并导致稻米Cd含量超标，从而影响到人类健康。近年来，稻米Cd污染事件频发，并引起全社会高度关注。因而，稻米Cd污染控制技术研究倍受关注，并成为解决我国粮食安全的重要途径。本项目利用本实验筛选获得的氧化亚铁硫杆菌，通过大田正交实验，研究了赤泥、有机肥和氧化亚铁硫杆菌单施和配施对水稻根表铁膜厚度、Fe、Mn、Cd和Pb含量、土壤理化性质、土壤微生物数量与活性及Cd和Pb在土壤-水稻系统中迁移规律的影响。结果表明，添加赤泥、氧化亚铁硫杆菌和有机肥后，水稻根表铁膜中Fe、Cd和Pb含量显著增加，且水稻根表铁膜中Fe含量与Cd和Pb含量有极显著性直线正相关，但Mn含量基本相同。其中单施氧化亚铁硫杆菌时，水稻根表铁膜中Fe、Cd和Pb含量增幅最大。添加赤泥、氧化亚铁硫杆菌和有机肥能显著改变根系土壤pH值、有机质含量、土壤微生物数量及活性、不同生育期Cd和Pb的贡献率和不同器官中Cd和Pb含量及其迁移转运率，降低根系土壤和糙米中Cd和Pb含量，且添加量与添加方式也有显著影响。从糙米中Cd和Pb含量降低效果来看，单施赤泥效果最好，其次是配施，单施有机肥或氧化亚铁硫杆菌效果最差。虽然添加三种物质均能显著降低糙米中Cd和Pb含量，但由于土壤中Cd和Pb污染程度较高，糙米中Cd和Pb含量仍超标，且水稻田改种玉米和大豆后，玉米和大豆可食部分中Cd和Pb含量也超标。研究结果表明，当土壤中Cd和Pb污染程度较高，通过添加土壤调理剂和水改旱，不能实现高浓度重金属污染土壤治理的目的。与CK相比，添加石灰对溶解态Cd、Pb、Zn和As浓度基本无影响，但添加生物炭可显著性降低稻田水中溶解态Cd、Pb、Zn浓度，增加溶解态As浓度；在自然降雨时，添加生物炭可显著降低Cd、Pb、Zn面源输出负荷、增加As面源输出负荷，但石灰基本无影响。