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厌氧微生物作用下土壤中砷的形态转化及分配比例对砷的环境行为与归趋具有重要影响。实验利用张士灌区土壤负载低浓度砷,研究了厌氧微生物作用下砷的形态转化过程,并通过化学连续提取方法探讨了砷在土壤中结合形态的变化及土壤矿物结构转化与砷环境行为的关联。并运用简单水铁矿体系接种郴州砷污染水田土壤样品中富集的砷还原菌,进一步探索厌氧条件下土壤微生物作用下砷的释放与再固定的机理。此研究对于预测土壤中砷的行为与归趋及污染土壤修复具有指导意义。
实验结果表明,微生物作用下土壤负载的砷迅速被还原为As(Ⅲ)并释放进入液相,培养24 h后,液相累积的As(T)量达到1.27 mg·L-1,其中As(Ⅲ)占液相总砷含量的91%以上;48h后释放的砷被再次固持,液相残留的As(Ⅲ)浓度仅为0.11 mg·L-1。微生物还原作用造成土壤中铁氧化物的活化,固相中磷酸盐提取态与盐酸提取态砷所占的比例分别从载砷量的47.3%和49.8%降低到22.0%与0.22%,而体系中硫酸盐还原产生的硫离子的量与砷的释放量保持负相关。可见微生物还原作用下砷发生了活化,释放和再固定的过程。
化学连续提取结果显示,厌氧微生物作用下土壤中的砷逐渐转化为更稳定的赋存形态。培养终点时(360 h),与对照组相比吸附态砷比例减少了约20.0%,其中10.8%转化为残渣态,6.9%转化为还原剂提取态。盐酸提取态与草酸盐提取态砷的比例也略有增加(小于1%),氧化剂提取态砷比例从0.4%上升到3.6%。厌氧条件下,土壤中的砷逐渐由吸附态、无定形铁氧化物及酸挥发性硫化物(AVS)结合态,结晶态较弱的铁氧化物结合态的砷转化为更稳定的结晶态铁氧化物结合态,以及硫化物结合态。
Fe/As=9、pH6.5条件下,水铁矿吸附态As(Ⅴ)在微生物作用下被迅速还原为As(Ⅲ)并释放到液相中,液相中的砷全部以As(Ⅲ)形式存在。96 h时液相中As(Ⅲ)浓度达到峰值约为12.0 mg·L-1,这一过程中并未观察到Fe(Ⅲ)的还原,可见微生物对砷的还原作用增加了砷的迁移性,进而促进砷的释放。96 h后Fe(Ⅲ)迅速被还原并释放进入液相,而液相中溶解的As(Ⅲ)浓度逐渐降低,培养终点时约有3.7 mg·L-1的As(Ⅲ)被重新固定到固相中。可见铁氧化物的还原性溶解并不是造成液相中砷浓度升高的主要原因,固相中次生矿物的形成可以促进As(Ⅲ)的再固定。