锌(Zn)是所有生物体必需的微量营养素,在植物中起催化、调节的作用。Zn同位素分馏研究是一项新的技术,可以帮助我们更好地了解玉米对Zn的吸收、转运和耐受机制,追踪Zn的来源及转移过程,因此,Zn同位素特征为追踪玉米-土壤体系中Zn的吸收和转移机制提供了一个潜在的工具。质谱技术的研究表明,环境条件和玉米生理状态的不同,Zn同位素在生物吸收和转运过程会产生不同程度的同位素分馏,玉米中同位素分馏的存在,特别是生物成因导致的Zn同位素分馏,有助于我们更全面地了解陆地的Zn循环过程。植物的生长依赖于土壤,土壤是重金属元素的源和汇。微生物是土壤重要的组成部分,可以产生各种螯合剂和金属载体,可以通过生物吸附和富集作用、溶解和沉淀作用、氧化还原作用等一系列新陈代谢作用,影响重金属元素在植物中的迁移率和利用率,还可以改变金属形态、增强金属溶解度,增加土壤低流动性矿质养分(如P、Zn、Cu)的供应,促进营养物质的循环,提高玉米的生长和生产力。在微生物、土壤及玉米之间相互作用下,有可能发生Zn同位素的分馏,因此,本研究通过在自然条件、灭菌条件、灭菌后重构微生物条件的土壤中种植玉米,研究了不同微生物条件下,随时间变化,植物和无植物土壤孔隙水中溶解性有机碳(DOC)、p H、Zn浓度特征对Zn同位素分馏的影响,并结合根系土、孔隙水对玉米根、茎、叶、籽粒中Zn同位素的组成特征展开研究,探讨了不同微生物条件下土壤-玉米体系中Zn同位素分馏特征及机理,建立了玉米体内稳态Zn与Zn同位素分馏耦合的综合模型,认识和研究结论如下:(1)植物存在的情况下,土壤孔隙水中DOC含量和Zn的浓度相对较高、p H值相对较低。微生物的种类和数量越多,土壤孔隙水中越富集重Zn同位素;无植物存在的情况下,土壤孔隙水中DOC含量Zn的浓度相对较低,p H值相对较高,微生物的种类和数量越少,土壤孔隙水中越富集轻Zn同位素。植物的存在使Zn同位素分馏程度增加,且随着时间的推移分馏程度越大。(2)微生物的种类和数量与DOC含量、Zn浓度、p H值均表现出负相关的关系。DOC的消耗越多,Zn的浓度越低,p H值越低,土壤孔隙水中Zn同位素的分馏程度越大,且相对富集重Zn同位素;DOC的消耗越少、Zn的浓度越高、p H值越高,土壤孔隙水中Zn同位素的分馏程度越小,且相对富集轻Zn同位素。(3)自然条件下玉米各部位生物量较大,Zn的浓度较低,灭菌条件下生物量较小,Zn的浓度较高,灭菌后重构微生物条件下的生物量及Zn的浓度介于其他两组之间。微生物的存在的对玉米的生长有促进作用,对玉米各个部位中Zn的累积有一定的抑制作用。不同微生物条件下玉米根、茎、叶、籽粒的生物量与Zn同位素分馏程度表现出正相关关系,Zn浓度与Zn同位素分馏程度表现出负相关关系。(4)玉米根中相对富集重Zn同位素,地上部分(茎、叶、籽粒)相对富集轻Zn同位素。自然条件下,Zn同位素分馏程度最大,灭菌条件下Zn同位素分馏程度最小,灭菌后重构微生物条件下Zn同位素分馏程度介于其他两组之间,说明微生物的存在促进了玉米地上部分Zn同位素的分馏。(5)玉米各部分之间的Zn同位素分馏程度取决于Zn从根到地上部的转运程度,玉米各部位是一个流动系统,在这个系统中,Zn在玉米组织与细胞之间的转移导致Zn同位素的分馏。通过不同微生物条件下土壤-玉米体系中Zn质量平衡和同位素分馏Box model发现,Zn在玉米各部位的富集程度越高,观察到的Zn同位素分馏程度越低,Zn在玉米各部位的富集程度越低,观察到的Zn同位素分馏程度越低。(6)建立了微生物作用下,Zn从土壤到孔隙水的转运过程、从孔隙水到根系转运过程、在根部径向转运过程以及在玉米内的分配过程中的同位素分馏模型,定性的描述了Zn在土壤-玉米体系中的分馏过程。结合瑞利分馏模型,建立了将玉米体内稳态Zn与Zn同位素分馏联系起来的综合模型,定量地分析了Zn在土壤-玉米体系中的分馏特征。本课题开拓性地研究了微生物对土壤-玉米体系中Zn同位素分馏的影响,为更全面了解Zn在土壤-玉米体系中的生物地球化学循环积累了研究经验,为将微生物作为吸附剂对Zn污染地区的综合治理奠定了一定的理论基础。