生物炭-铁锰氧化物复合材料调控稻田土壤镉有效性机制

发布时间：2020-04-19 20:09

【摘要】：当前,我国中南、西南部分地区土壤中重金属镉(Cd)污染广泛存在,其污染强度有增加的趋势。与其它污染物相比,低浓度Cd便会对生物(特别是人)产生毒害,且Cd的毒性具有一定的隐蔽性和潜伏性。土壤Cd生物有效性的高低会影响水稻的安全生产,对国家的粮食安全产生威胁。原位钝化技术以其经济、高效、简便易行等优点而受到广泛关注,选择适宜的钝化材料是降低Cd生物有效性、实现污染稻田土壤修复成功与否的关键所在。新型铁锰氧化物复合材料由于其独特的性能优势已成为环境材料学领域的热点,在环境净化与修复的诸多领域都有较为成功的应用;但应用铁锰氧化物改性材料,尤其是将生物炭-铁锰氧化物复合材料用于Cd污染土壤修复的研究尚不多见。铁、铝和锰氧化物改性的生物炭表面官能团的数量与组成明显增加,通过专性吸附、络合等机制去除介质中重金属,去除效果明显好于单一的生物炭、铁锰氧化物或生物炭与铁锰氧化物简单机械混合。本研究在成功合成生物炭-铁锰氧化物复合材料(FMBC)的基础上,对FMBC吸附Cd及其影响Cd生物有效性等内容进行研究,探讨FMBC对稻田土壤Cd生物有效性调控效果,阐明FMBC对土壤Cd生物有效性的影响机制,为FMBC修复中轻度Cd污染土壤提供理论依据。论文以玉米秸秆炭(BC)为原料,通过浸渍烧结法制备出FMBC,通过吸附实验、水稻盆栽试验和田间水稻种植试验,系统研究了FMBC对土壤Cd有效性的调控机制和效果。研究结果表明:(1)FMBC表面含有丰富的含氧官能团(羟基,羧基等),对Cd(II)有较好的吸附作用,Langmuir方程拟合较好。FMBC对Cd(II)的吸附过程约在200分钟内达到平衡,符合准二级动力学方程,吸附机制主要是不均匀介质表面的多层化学吸附。(2)温度升高会活化和增加FMBC表面的吸附点位,降低反应的活化能,利于复合材料对Cd(Ⅱ)的吸附。体系pH对FMBC吸附Cd(Ⅱ)存在显著影响,Cd(Ⅱ)的吸附量在pH=6时最大。高浓度腐殖酸(HA)可以促进FMBC对Cd(Ⅱ)的吸附,是因为HA含有氨基、羧基,酚和轻基等官能团,可以与Cd(Ⅱ)形成配合物。沉淀和络合作用是影响Cd(Ⅱ)吸附的关键所在,FMBC表面上的Cd(II)主要以Cd(OIH)2(59.4%)和CdO(40.6%)的形式存在。(3)添加FMBC明显提高红壤吸附Cd(Ⅱ)的容量,Langmuir模型对添加FMBC后红壤吸附Cd(Ⅱ)的拟合效果更好(R20.94),表现出单分子层吸附特点。与BC相比添加FMBC后,红壤对Cd(Ⅱ)吸附容量明显增加;升高温度和pH会增加其吸附量。FTIR和XPS分析证实了土壤表面Cd(Ⅱ)吸附的发生,揭示Cd(Ⅱ)络合和沉淀在吸附过程中起重要作用。(4)在Cd污染土壤中,施用0.5%～2%FMBC和BC可增加水稻根、茎、叶和籽粒的干重,而施用4%FMBC和BC则降低了籽粒和生物量的干重。与对照和BC处理相比,FMBC显著降低了水稻植株不同部位Cd的积累,提高了籽粒氨基酸水平;添加2%和4%FMBC明显降低水稻籽粒Cd含量。(5)添加FMBC能够降低水稻土壤Cd有效态含量,提高了Cd残留态的比例,显著增加水稻根系铁/锰膜的形成。土壤Cd生物有效性降低可能是缘于复合材料中的铁锰氧化物提高了FMBC对Cd的吸附能力,而提高水稻根系表面铁锰膜含量则会进一步降低水稻根系对Cd的吸收。本研究证实2%FMBC可以提高Cd污染稻田土壤的修复效果,降低水稻籽粒中Cd含量。(6)在Cd污染土壤中,添加FMBC增加土壤酶(UE、AKP/ALP、CAT和POD)的活性,减少土壤可交换态Cd、铁锰氧化态等Cd含量,提高残渣态Cd含量。交换态、碳酸盐结合态的Cd含量与AKP、POD和CAT等酶活性呈负相关性,UE与土壤Cd的各形态均呈正相关关系,残渣态Cd与土壤酶活性间存在明显的正相关关系。添加FMBC提高变形杆菌和拟杆菌门的丰度,降低酸杆菌的丰度,对土壤微生物没有明显的不良影响。(7)添加FMBC会提高早晚稻产量,降低早晚稻对Cd的吸收。FMBC显著降低了水稻根、茎、叶、籽粒中Cd含量,2.0%FMBC处理的减控效果最佳,早晚稻籽粒Cd含量均符合国家食品卫生标准要求;生物炭基材料降低土壤有效态Cd浓度,2.0%FMBC处理效果最佳。田间试验结果证明,FMBC可有效地减少早晚稻籽粒中Cd含量。
【图文】：

与生物炭－铁锰氧化物复合材料用量的关系，探讨复合材料对土壤微生物、酶活逡逑性等的影响差异，阐明生物炭－铁锰氧化物复合材料对Ｃｄ生物有效性的影响差异逡逑与机制。逡逑（４）生物炭－铁锰氧化物复合材料调控水稻土壤Ｃｄ有效性的田间试验逡逑在内容（３）基础上，选择对Ｃｄ生物有效性调控性能最佳的复合材料进行逡逑田间小区水稻种植试验，验证复合材料在大田的实际调控效果。逡逑１．７技术路线逡逑本研究以生物炭－铁锰氧化物复合材料为试材，通过吸附实验、水稻盆栽试逡逑验和田间水稻种植试验来验证该复合材料对土壤ｃｄ生物有效性的调控效果，并逡逑结合扫描电镜－能谱分析，Ｘ－射线光电子能谱，显微红外光谱，高通量测序等技逡逑术，探讨生物炭－铁锰氧化物复合材料影响土壤镉生物有效性的可能机制。技术逡逑路线图详见图１－１。逡逑

２．２．１．２吸附等温试验逡逑一般来说，溶液中金属离子的吸附受表面化学、吸附剂表面积和沉淀反应的逡逑影响。ＢＣ和ＦＭＢＣ吸附Ｃｄ邋（ＩＩ）的能力存在明显不同（图２－２），在相同的Ｃｄ逡逑（ＩＩ）平衡浓度下，高出接近５倍。与ＢＣ相比，ＦＭＢＣ呈现出较高的吸附能力，逡逑可能是由于生物炭表面带有较少的电荷导致静电作用减弱，故其对Ｃｄ邋（ＩＩ）的吸逡逑附容量较小。采用朗格缪尔Ｌａｎｇｍｕｉｒ等温线和弗伦德里希Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ等温线拟逡逑合实验数据，，模拟ＦＭＢＣ对Ｃｄ邋（ＩＩ）的吸附等温线。Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型是一种非常逡逑２０逡逑
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X53

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本文编号：2633689