含磷化合物对土壤稀土元素生物有效性的影响机制

Rare earth mining leads to the soil pollution, and harming health of human. Phosphorus compound is an important fertilizer for crop production, and a repair agent for heavy metal-contaminated soils was extremely scarce. Rare earth possesses the properties of heavy metals, however, little information was available on the effect mechanism of phosphorus on rare earth elements. In this project, biological mechanisms of phosphorus-rare earth element in soil and in the crop will be studied through culturing in pot, laboratory and mining area added with phosphorous compounds, and the effects of phosphorous compound on bioavailability of rare earth elements in soil will also be demonstrated by combined synchrotron radiation extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) and illumina MiSeq sequencing. These results can provide scientific evidence and theoretical foundations for remediation of soil polluted with rare earth mine and fertilization treatment.

稀土矿产开采导致土壤稀土污染并危害人类身体健康。含磷化合物是农作物增产的重要肥料和极具前景的土壤重金属污染修复剂。稀土具有重金属的属性，但是国内外关于磷对稀土元素影响的机理性研究严重缺乏。本项目通过盆栽、实验室培养与矿区农田试验，运用同步辐射扩展 X 射线吸收精细结构EXAFS及illumina MiSeq高通量测序等分子学技术研究土壤添加含磷化合物后，稀土元素的赋存形态、土壤微生物群落结构和功能、作物体内稀土元素的微区分布及其化合物的微观结构，深度阐明含磷化合物对土壤稀土元素的作用机制，为稀土矿区土壤污染修复、农民正确施肥提供科学依据和理论参考。

中国是世界稀土生产、消费大国。稀土矿产开采导致环境中稀土含量过多。过多的稀土对农作物产生抑制或毒害作用，并通过食物链影响人体健康。磷是作物生长的必要元素，且能与重金属形成磷酸盐沉淀，降低重金属的生物有效性。本项目研究了磷-稀土元素作用机制，磷对稀土矿区土壤微生物群落结构和功能的影响，磷对作物吸收、积累、转运稀土元素的影响机制，并开展了含磷化合物对赣南稀土矿区农田的修复试验。研究表明，含磷化合物添加至轻、中、重稀土矿区土壤中，土壤溶液15个稀土元素的浓度均显著降低，轻稀土元素降低的比例＞中稀土元素＞重稀土元素；含磷化合物与土壤中的稀土元素作用后形成了磷酸稀土沉淀物，这一化合物的形成与含磷物质溶解度及其与土壤的pH显著相关；含磷材料显著影响稀土矿区水稻根、茎叶、籽粒的重量及其稀土元素的含量，作用机制比较复杂；骨炭能显著提高作物的产量，降低作物中的稀土含量，提高轻、中、重稀土矿区土壤细菌的相对丰富度、多样性和有益菌Bacillus的相对丰度，是修复稀土矿区土壤最有潜力的材料，且盆栽实验与大田实验结论一致。添加2.5-5.0%的含磷材料，土壤溶液稀土元素浓度降低比率在9.8-99.7%之间，土壤中添加过磷酸钙、骨炭、钙镁磷，水稻根、茎叶、籽粒重量分别是对照的5.58、4.52、4.17，4.62、3.88、3.70，57.54、51.92、30.08倍，根、茎叶、籽粒稀土元素含量分别比对照降低了81.73%、67.87%、89.62%，74.70%、39.86%、64.53%，23.83%、28.96%、29.34%；水稻根系P含量、土壤pH、土壤溶液稀土浓度对细菌群落变化的贡献率较大，分别为11.13%、8.12%、7.63%。研究结果为稀土矿区土壤修复提供科学依据，对保护矿区生态环境和保障居民身体健康具有重要的科学意义。