生物炭-铁锰氧化物复合材料对稻田砷生物有效性的调控及其机制

Arsenic-contaminated soil exists widely in China and is difficult to be remedied. It is well established that in-situ inactivation technologies, such as applied iron and manganese mineral, modified biochar etc, have ability to decrease bioavailability of arsenic and arsenic content of rice.Our experiments shows that biochar - iron manganese oxide composite material has good effect on the removal of arsenic in aqueous solution. However, until now, the investigations on remediation for arsenic contaminated soil using composite of biochar and ferric-manganese oxide is fairly insufficient. Furthermore, the reaction mechanism of arsenic on the surface of composite is unclear and its effects on the bioavailability are also unconfirmed.In this study, the adsorption/laboratory culture experiment, soil culture experiment are conducted simultaneously combined with the advanced instruments as, HPLC-ICP-MS,Microscopic Infrared Spectral, X ray photoelectron spectroscopy, electron microscopy and energy spectrum, and continuous extraction technology. The main objectives of the current study are to investigate: 1) different system pH values on the sorption/precipitation/oxidation-reduction characteristics of arsenic on the surface of composite materials. 2) the arsenic speciation in soil and rice, the number of root iron and manganese plaque.3)the factors for affecting the bioavailability of arsenic in the soil. This project not only can provide new knowledge on the chemical behavior of arsenic in soils, but also will be conducted as an excellent example for the application of biochar matrix composites to ameliorate the arsenic polluted soil.

我国南方稻田土壤砷污染广泛存在且日益严重。施用原位钝化材料（如铁锰矿物、改性生物炭等）是降低稻田土壤砷有效性和减少稻米中砷含量有效途径之一。前期试验表明，生物炭-铁锰氧化物复合材料对水溶液中砷的去除具有较好效果；但其在土壤中与砷相互作用机制尚待明确。据此，本项目以生物炭-铁锰氧化物复合材料为试材，以南方水稻土为试验土壤，采用等温吸附实验，室内培养与盆栽试验相结合的方法，利用HPLC-ICP-MS，显微红外光谱，X射线光电子能谱，扫描（透射）电镜-能谱分析等先进技术，结合连续提取（SEPs）、高通量测序等方法，研究生物炭-铁锰氧化物复合材料在稻田土壤环境中与砷相互作用机制，探讨其对稻田土壤酶活和微生物群落结构的影响，查明其与砷形成复合物组成，揭示其对稻田土壤砷有效性的调控效果及机理。本项目的实施不仅可以丰富砷的土壤环境化学理论，还可为该材料在砷污染农田土壤修复的应用上提供依据。

在我国南方，土壤砷（As）污染问题已经越来越严重，治理农田土壤砷污染、保障稻米质量安全已成为近年来的研究热点。本研究以生物炭（BC）为原料，通过浸渍法制备出生物炭-金属氧化物复合材料，研究了生物炭-金属氧化物复合材料吸附砷的机制，探讨了生物炭-金属氧化物复合材料对土壤砷挥发的影响，阐明生物炭-金属氧化物复合材料对砷污染稻田土壤的调控机制。.（1）生物炭-铁锰氧化物复合材料具有较大的吸附容量。其中，生物炭-铁锰镧氧化物复合材料（FMLBCs）的最大As（III）吸附容量分别比生物炭-铁锰氧化物复合材料（FMBC）和BC的吸附容量高1.57和3.99倍。As吸附在生物炭-金属氧化物复合材料上的机制涉及氧化，静电吸附，配体交换和内层R-O-As复合物的形成。添加FMBC提高了红壤对砷的吸附性能。添加F1M3BC25的吸附量为0.687 g·kg-1，是添加BC最大吸附量（0.576 g·kg-1）的1.2倍。.（2）添加FMBC促进了水稻的生长，降低了水稻各部分的砷的含量，提高了籽粒的产量，必需氨基酸比例有增加的趋势。高、中和低三种污染水平土壤中，最佳的生物炭-铁锰氧化物复合材料添加量为土壤质量的2%，能最大程度的降低水稻各部分的砷含量。F1M3BC25对高浓度污染土壤砷的有效性及水稻根表铁锰膜含量的增加产生的影响更大。.（3）加入FMLBCs导致土壤中的总挥发物在七周内减少，并且在第三周达到最大挥发量。FMLBC的添加降低了土壤中可交换的As组分，增加了土壤中 不可交换态的As。添加FMLBCs增加了土壤酶活性，表明土壤腐殖质含量增加，土壤微生物活力增强，；FMLBCs的添加也改变了细菌群落的相对丰度。.（4）通过盆栽实验研究了添加FMLBCs后砷在对水稻土微生态的变化。添加FMLBCs显着提高了过氧化氢酶活性，当添加2％FMLBC时，增加了69.2％至268％。添加BC或FMLBCs增加了变形菌和酸杆菌的丰度，同时减少了厚壁菌门的数量，随着添加量的增加效果更明显。FMLBCs改变了As分布并增加了其在土壤中的固定，这可间接降低As转移到水稻的风险。