水稻根际铬形态与空间分布特征的原位高分辨研究

With the widespread use and the lack of proper management of chromium (Cr) in the industrial field, soil Cr pollution in paddy field become more severe in recent year, which will influence human health. Rhizosphere is the key zone between soil and plant root. The rhizosphere effect can change transport, transformation and bioavailability of Cr in soil, thus alter adsorption and absorption of Cr by plants. Therefore, it is essential to investigate the Cr interfacial behavior in the rhizosphere of rice. To overcome the soil heterogeneity and the chemical speciation changes of ex-situ methodology, establishment of in-situ methods is necessary based on diffusive gradients in thin-films (DGT) and planar optode, which can determine Cr speciation and display the distribution of Cr, O2 and pH at the same time. Effect of different factors on Cr bioavailability in Rhizosphere and its mechanism will be study. This kind of research can provide us with scientific basis on Cr pollution control.

铬在工业领域的广泛应用，使稻田土壤铬污染问题日益严重，并通过食物链危害人类健康。根际是土壤与植物接触的关键区域，根际效应能改变土壤中铬的存在形态和空间分布状况，进而影响植物对于铬的吸附与吸收。因此，研究水稻根际铬迁移转化过程和生物有效性对土壤铬污染的防治具有重要作用。为克服土壤非均质性和异位研究中铬形态变化问题，本课题拟基于梯度扩散薄膜和平板光极技术，建立一套根际原位高分辨表征方法。通过此方法来研究根际铬迁移转化的主要驱动机制和不同耐性水稻根际铬生物有效性的差异。以期为我国稻田土壤铬污染控制、修复、阻控以及提高稻米质量安全提供理论依据。

铬在土壤中主要以Cr(III)和Cr(VI)两种形式存在。由于结构、稳定性和非常低的溶解性，Cr(III)活性较差，对植物毒性小，而Cr(VI)通常以Cr2O72-和CrO42-形式存在，一般被土壤胶体吸附较弱，具有较高的活性，对植物的毒害作用较强。受外界因素的影响，土壤中Cr(III)和Cr(VI)可以相互转化。而常规的异位化学提取法会使样品受损，铬形态发生变化，分析准确性下降，并且无法克服土壤介质非均质的特点，无法动态反应其环境行为。本项目将耦合DGT技术与LA-ICP-MS技术，实现水稻根际微观尺度下铬形态和时空分布特征的原位测定，在此基础之上，通过平面光极的引入，探讨氧气在根际铬的形态转化中的地位。.本项目合成的NFR多功能化树脂对Cr(VI)具有良好的选择性，可用于土壤中铬迁移转化的微观研究。耦合自制的平面光极和其他DGT技术的原位高分辨表征系统可准确评估水稻根际铬的有效性与毒性，极大地提高了对小尺度氧化还原耦合的理解。高分辨成像可提供水稻根际铬的迁移转化和空间变异性，并证明生物区系的局部影响。还原修复剂加入能够改变土壤中铬的迁移转化，从而降低铬的有效性。但不同修复剂的修复效果存在显著差异（Fe(II)修复效果最好，其次是多硫化钙，糖蜜最差），且修复效果受到水稻根系活性的影响。.本项目将克服传统研究方法的局限性，深入探讨铬在水稻根际迁移转化的微观机制，为根际铬生物有效性评价和修复提供理论依据。随水稻的生长发育，水稻根系性质在不断变化之中，其对土壤中铬行为的影响也必然发生变化。铬污染土壤经过还原修复稳定后，随水稻根系活性变化也可能重新产生毒害。本项目研究也为后续探究水稻整个生长过程中的根际铬化学行为和有效性评估奠定基础。