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铁膜是湿地挺水植物,如水稻、香蒲等根系表面覆盖的一层铁氧化物及其水化物。在含砷(As)较高的土壤中,随着植物的生长铁膜形成过程中逐渐积累大量的As,其浓度显著高于周围的环境。当水稻收割后,铁膜开始被还原溶解,而其吸附的As就会随之释放出来。本文研究铁膜分解过程中As的释放动力学过程、释放后在土壤中的归趋和转化过程及影响因素。归纳如下:
(1)通过微宇宙法研究水稻根表铁膜分解过程和As的释放规律。实验结果显示在不灭菌的处理中,As和Fe都快速的释放到土壤溶液中,27天里铁膜上超过76.1%的As被释放到土壤溶液中。而在灭菌处理中,铁膜分解和As的释放速率明显降低,85天里只有39.4%的As从铁膜上释放。然而,不管是灭菌还是不灭菌的处理,从铁膜上释放出来的As绝大部分都被固定到土壤中。在灭菌和不灭菌的处理中有部分As(Ⅴ)在被释放前或在释放过程中被还原成As(Ⅲ)。各处理中的微生物的丰度都有显著性差异,微生物群落也存在明显的差异。这部分研究说明,微生物因素(包括丰度、多样性和活性)能显著的影响到铁膜的分解、As的迁移和转化过程。
(2)通过微宇宙法研究沼液(BS)对水稻根表铁膜分解过程和As的释放的影响。研究发现,在不灭菌处理中,BS对铁膜上As(包括As(Ⅲ)和As(Ⅴ)迁移的影响不明显,只有当微生物活动受到抑制后,BS对As释放的促进作用才显现出来。以往很多的研究认为,有机质能促进As从土壤中的释放,但是本研究结果说明,在短期内(50天)有机质能促进As的释放,然而在较长的时间(90天)里有机质也能促进As的沉淀,减小了As的迁移。各处理水稻根铁膜释放了24-35%的总Fe和83-97%的总As,然而绝大部分释放的Fe(约69-98%)和As(约89-97%)都发生吸附或共沉淀等作用,而从土壤溶液中进入固体颗粒中。BS的加入没有提高微生物对As的甲基化作用。
(3)实验采用微宇宙法,以酒糟和三叶草作为供试的有机质,研究这两种有机质对As污染水稻土中的As的生物甲基化和挥发的影响。研究发现,添加三叶草(CT)和酒糟(DT)处理的As的挥发速率显著高于对照,分别比对照高65和140倍。CT处理产生的气态砷的主要形态为三甲基砷(TMAs),而DT处理挥发的As的主要形态为TMAs和砷化氢(AsH3),还有部分的一甲基砷(MeAsH2)。DT和CT土壤溶液中As的主要形态分别是二甲基砷(DMA)和As(Ⅴ),特别是DT的土壤溶液中还发现了一个未知的砷形态。这表明CT和DT处理体系中As甲基化的不同的微生物过程。有机质的添加对土壤中As(Ⅲ)氧化和As(Ⅴ)还原菌及其功能基因的丰度和活性的影响各异。有机质的添加提高了土壤溶液中As的浓度;BCR连续提取结果揭示有机质的添加也显著提高了醋酸提取态、可还原态和可氧化态的As含量,说明其移动性提高。有机质的添加显著的改变了实验体系的生物方面的因素的同时,如细菌的丰度和活性,还改变了非生物因素,如pH和As的生物可利用性。这些因素都可能影响到As的甲基化和挥发。此外本研究结果还说明具有活性的且能够氧化、还原和甲基化As的微生物能同时存在于水稻土中,它们影响As在水稻土和土壤溶液中的迁移转化。
以上研究表明,微生物在铁膜分解和As的释放过程中起到了主导作用,BS的添加加快As(包括As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的释放,短时间内能提高As的迁移性。释放的As和Fe大部分被重新固定在土壤中。BS没有提高土壤溶液中的As甲基化和挥发,但是三叶草和酒糟却能显著的提高As的甲基化程度和挥发速率。