微生物-改性生物炭联合阻控玉米、大豆累积重金属锰的效应及机理研究

Excessive Mn in crop is caused by Mn polluted farmland around the united enterprises of mining-dressing-melting. How to block Mn uptake of crops has become an urgent problem. The systematic study on precise blocking Mn uptake of crops at the key growth stage is very scarce. In order to ascertain the growth dynamics and the key stage of Mn uptake by crops, corn and soybean are studied by pot experiments under different Mn levels. Based on the key stage of Mn uptake by corn and soybean, the optimal quantities of selected suitable microbes and modified biochar will be used to block Mn uptake in the appropriate periods. The effects of microbes-modified biochar on Mn accumulation in corn and soybean will be analyzed. Meanwhile, a motorized microprofiling system equipped with microsensors is used to detect changes of rhizosphere microenvironment in situ and the influence on Mn migration. The results will reveal the mechanism of Mn uptake blocking of corn and soybean by rhizosphere microenvironment change and physiology responses of corn and soybean. Finally, the effects of microbe-modified biochar blocking Mn uptake by corn and soybean will be clarified in field experiments. In this study, the scientific method that could accurately block Mn uptake by corn and soybean will be obtained, which will provide a new solution for safe planting crops in Mn polluted farmland.

锰（Mn）采选冶联合矿山企业导致周边农田土壤中以Mn为主的重金属含量过高，造成农产品Mn超标，有效阻控农作物吸收Mn成为一项亟待解决的农业难题。目前，针对农作物重金属吸收关键期进行精准阻控的系统研究尚少。项目通过盆栽试验研究玉米、大豆在不同水平Mn污染土壤中的生长动态及Mn累积规律，确定玉米、大豆吸收Mn的关键期；筛选优势微生物，并改性生物炭，研究适时适量施用微生物-改性生物炭对玉米、大豆累积Mn的联合阻控效应；利用高分辨率微电极测量系统原位分析微生物-改性生物炭对Mn胁迫下玉米、大豆根际微环境的改变及其对Mn迁移转化的影响，探究微生物-改性生物炭对玉米、大豆吸收Mn的根际阻控机制和玉米、大豆的逆境生理生化响应机理；通过大田试验验证施用微生物-改性生物炭对农作物吸收复合污染土壤中Mn的精准阻控效应。项目以期获得一种精准阻控农作物吸收Mn的科学方法，为农作物的安全种植提供有效途径。

本项目以Mn污染为主的重金属复合污染农田为研究背景，针对湖南重金属复合污染农田上农作物Mn、Cd等重金属超标的实际情况，探讨阻控农作物吸收累积Mn、Cd等重金属的有效方法，研究农作物吸收累积Mn、Cd等重金属机理，以期为重金属污染土壤上农作物安全种植提供科学依据。本项目开展了以下工作：筛选获得了具备优良Mn、Cd抗性和吸附能力优势微生物3株，并利用优势微生物构建了修复重金属污染水体、土壤的方法；通过制备不同原料来源的生物炭、改性生物炭、改性活性炭、腐殖酸类重金属固化剂，研究了不同改性生物炭、重金属固化剂吸附固定Mn、Cd能力及相关机制，实现了利用改性生物炭、重金属固化剂阻控土壤、水体中重金属Mn、Cd迁移转化；研究了生物炭、改性生物炭等对As污染土壤中微生物群落及土壤理化特性的影响，并使用沉水植物苦草开展了As污染灌溉水体植物修复研究，为As污染水体、农田土壤生物修复提供了研究支持；研究了重金属超累积植物龙葵Cd吸收累积及调控机制，为深入研究龙葵的耐Cd机制、调控措施以及Cd污染土壤的植物修复提供科学依据；筛选获得了适合在湖南地区种植的重金属低富集玉米品种；研究了玉米、大豆单作以及玉米、大豆与重金属超累积植物东南景天间作条件下，农作物吸收累积Mn、Cd、Pb等重金属规律及其调控机理，探讨了间作东南景天对玉米、大豆生长动态及重金属吸收动态影响机制，不同程度的降低了玉米、大豆不同器官中Mn、Cd、Pb含量；提出了Mn污染土壤上施用改良Ca基生物炭以及种植Mn超富集植物商陆后再套种其它农作物方法，并使用酸改性生物炭和腐殖酸作为土壤改良剂阻断农作物吸收重金属。本项目研究结论为重金属污染水体、土壤污染控制提供了科学参考，为重金属复合污染农田土壤的边修复、边生产以及农作物的安全种植提供科学支持。