腐植酸對(duì)土壤中砷形態(tài)轉(zhuǎn)化及生物毒性的影響

腐植酸對(duì)土壤中砷形態(tài)轉(zhuǎn)化及生物毒性的影響

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，污染環(huán)境的污染日益嚴(yán)重，污染已成為一個(gè)值得關(guān)注的環(huán)境問題。礦山開發(fā)、污水灌溉、農(nóng)藥使用等均可造成土壤砷污染。過量的砷會(huì)阻滯植物的正常生長發(fā)育或使砷在可食部分累積,這種植物效應(yīng)取決于砷在土壤中的蓄積量及其遷移、轉(zhuǎn)化行為。腐植酸是天然的土壤改良劑,能有效吸附、絡(luò)合土壤中重金屬物質(zhì),起到修復(fù)重金屬污染土壤的作用。泥炭、褐煤和風(fēng)化煤中都含有豐富的腐植酸。它是影響環(huán)境生態(tài)平衡的重要因素,也是潛在的、可大力開發(fā)和綜合利用的有機(jī)資源。腐植酸是一種復(fù)雜的無定形高分子化合物的混合物,具有疏松的“海綿體”結(jié)構(gòu)和多種官能團(tuán),從而具有了特殊的理化性能如酸性、親水性、陽離子交換性能、絡(luò)(螯)合能力吸附性能、高分子膠體性能和生物活性。具有強(qiáng)烈的吸附和絡(luò)合能力,能與各種無機(jī)和有機(jī)物作用,從而對(duì)元素的遷移、聚合產(chǎn)生多方面的影響。土壤酸堿度是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)之一。土壤pH值的高低直接影響土壤中大量、微量元素的離子形態(tài)以及重金屬離子的有效性。砷主要呈陰離子態(tài)存在,在較低pH范圍內(nèi),H2AsO4-、HAsO2-等能被帶正電荷的氫氧化鐵等吸附劑迅速吸附;隨著pH值的增加,吸附劑表面負(fù)電荷增高,促使含砷陰離子向溶液中解吸。在通常的pH環(huán)境內(nèi),三價(jià)態(tài)砷和五價(jià)態(tài)砷的溶解度均隨pH增加而增高;當(dāng)土壤由酸性轉(zhuǎn)為中性乃至堿性時(shí),三價(jià)砷的遷移能力更強(qiáng),毒性比五價(jià)砷高許多倍。因此,土壤pH的變化也可導(dǎo)致土壤各形態(tài)砷的相互轉(zhuǎn)化,從而增加砷的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。近年來有關(guān)砷形態(tài)的研究受到越來越廣泛的重視。國內(nèi)外開展了土壤中不同形態(tài)砷的分析方法、土壤砷的生物有效性、土壤環(huán)境條件對(duì)砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響、不同形態(tài)砷的毒性及遷移能力的差異以及不同形態(tài)砷在土壤礦物中的吸附和陽離子共沉淀機(jī)制等方面的研究工作。然而,關(guān)于土壤pH及腐植酸對(duì)土壤砷形態(tài)的影響研究較少。本文主要研究了腐殖酸在不同pH的土壤環(huán)境中對(duì)As各種形態(tài)的影響,對(duì)反映區(qū)域土壤中砷元素的存在形式和各種形態(tài)的分布規(guī)律以及合理利用砷污染土壤有重要意義。1材料方法1.1土壤、有機(jī)物及礦物供試土壤為石灰性褐土,取自山西省太谷縣。土壤基本理化性狀為:pH7.6,有機(jī)質(zhì)含量13.6g/kg,全鹽量0.852g/kg,CEC11.82cmol(+)/kg,<0.01mm粘粒含量21.2%,土壤全砷含量18.91mg/kg,水溶態(tài)、可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)砷(AE-As)2.76mg/kg,鐵/錳氧化物結(jié)合態(tài)砷(Fe,Mn-As)1.01mg/kg,有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)砷(O,S-As)4.36mg/kg,殘?jiān)鼞B(tài)砷(Res-As)10.48mg/kg。供試腐植酸的原料為山西省靈石風(fēng)化煤,經(jīng)堿溶酸析法提純后待用,其基本性狀為pH6.4,CEC11.82cmol(+)/kg,E4/E67.3,全砷含量4.61mg/kg。供試油菜品種為上海青,外源砷為亞砷酸。1.2試驗(yàn)方法和過程盆栽試驗(yàn),采用2因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),土壤pH設(shè)5.5、7.6、9.53個(gè)水平,分別用A1、A2、A3表示;腐植酸用量設(shè)4個(gè)水平,為0、5、10、20g/kg土,分別用H1、H2、H3、H4表示,共12個(gè)處理,每個(gè)處理4次重復(fù)。每盆裝土5kg,同時(shí)施入基礎(chǔ)肥料尿素2g/盆,磷酸二氫鉀1g/盆。試驗(yàn)于2011年3月6日開始到2011年6月4日結(jié)束,試驗(yàn)實(shí)施周期為90d。2011年3月6日,按設(shè)計(jì)劑量混合裝盆,砷施入量為50mg/kg土壤。A1組(包括A1H1,A1H2,A1H3,A1H4處理,pH=5.5),盆栽土壤每天澆不同濃度的HCl溶液;A2組(A2H1,A2H2,A2H3,A2H4處理,pH=7.6),盆栽土壤每天澆自來水;A3組(A3H1,A3H2,A3H3,A3H4處理,pH=9.5),盆栽土壤每天澆不同濃度的NaOH溶液。處理開始后每天測定1次土壤pH值,穩(wěn)定后(穩(wěn)定即指連續(xù)3d測定的土壤pH值都在設(shè)置的范圍內(nèi)),每隔2d測定1次土壤pH值,穩(wěn)定后即可正常澆水,若pH值不在設(shè)置范圍內(nèi)時(shí),及時(shí)用NaOH或HCl溶液調(diào)節(jié)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程共取樣3次,每個(gè)處理4個(gè)重復(fù),3月21日第一次采樣,4月5日播種,4月20日定苗為10株/盆,同時(shí)進(jìn)行第二次采樣,6月4日收獲時(shí)進(jìn)行第三次采樣。1.3采用bcr方法提取土壤中的砷BCR法是由歐共體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局(EuropeanCommunitiesBureauofReference)提出的測定重金屬的方法簡化為三步提取法(簡稱BCR法)。劉甜田等用改進(jìn)的BCR法對(duì)城市污水處理廠活性污泥中重金屬的化學(xué)形態(tài)進(jìn)行了研究,優(yōu)化了原始的BCR提取程序的條件,并通過標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的精確度進(jìn)行控制。本文采用的是改進(jìn)的BCR方法對(duì)土壤樣品中的砷進(jìn)行四步分級(jí)提取,具體步驟如下:1)AE-As水溶態(tài)、可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài),用0.1mol/LHOAc提取;2)Fe,Mn-As鐵/錳氧化物結(jié)合態(tài),用pH2.0的0.1mol/LNH2OH-HCl提取;3)O,S-As有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài),先用pH2.0的8.8mol/LH2O2提取,再用1.0mol/LNH4OAc提取。4)Res-As殘?jiān)鼞B(tài),用王水消化。上述浸提液中的As含量均用原子熒光檢測儀進(jìn)行測定。1.4數(shù)據(jù)分析采用Excel2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,SAS軟件進(jìn)行多重比較。2結(jié)果分析2.1ae-as含量和轉(zhuǎn)化率如表1所示,在試驗(yàn)處理的土壤條件下,外源水溶態(tài)砷加入土壤后均迅速向相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化,并且主要發(fā)生在加入后的15d內(nèi),以后速率變慢,這與苗金燕等的研究結(jié)果基本一致。15d時(shí)A3H1和A3H4的AE-As含量分別為13.40mg/kg、9.23mg/kg,轉(zhuǎn)化率分別為78.7%、82.51%。pH對(duì)外源水溶態(tài)砷轉(zhuǎn)化影響顯著,且與土壤pH呈負(fù)相關(guān)。在土壤pH相同的處理間,AE-As含量隨腐植酸施入量的增加而降低,在中性和堿性土壤條件下處理間差異達(dá)顯著水平。2.2不同處理對(duì)高腐植酸用量中ae-as含量的影響隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,在不同腐植酸施用量的處理中均表現(xiàn)出AE-As、Fe,Mn-As含量逐漸減少,O,S-As、Res-As含量逐漸增加的趨勢,但在低腐植酸用量的處理中主要表現(xiàn)為Res-As含量的逐漸增高,而在高腐植酸用量的處理中主要表現(xiàn)為O,S-As含量的增加;在不同時(shí)間段,處理間AE-As含量差異達(dá)到顯著水平;處理A2H1在從15d到90d時(shí)間內(nèi),土壤AE-As、Fe,Mn-As、O,S-As、Res-As的變化率分別為-7.2%、-26.2%、5.1%、10.7%,處理A2H4的變化率分別為-28.0%、-76.7%、24.9%、4.5%;說明腐植酸更有利于土壤中AE-As、Fe,Mn-As向其他的形態(tài)轉(zhuǎn)化,主要體現(xiàn)在O,S-As的增加,而且與腐植酸的施用量呈正相關(guān)(表2)。2.3對(duì)土壤中砷向穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化的促進(jìn)由表3可以看出,腐植酸對(duì)不同pH土壤中砷的形態(tài)均有影響,可以降低土壤中AE-As、Fe,Mn-As含量,增加O,S-As、Res-As含量,但對(duì)較高pH土壤的影響更為明顯,其影響程度與腐植酸用量呈正相關(guān)。在90d時(shí),處理A3H4的AE-As、Fe,Mn-As含量分別為6.28mg/kg、1.23mg/kg,僅為處理A3H1的53.9%和10.7%;O,S-As、Res-As含量分別為20.24mg/kg、41.21mg/kg,是處理A3H1的165%和127%;而且差異均達(dá)到顯著水平。說明腐植酸對(duì)堿性土壤中砷向較穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用更加顯著。處理A3H4的AE-As含量分別是處理A1H4和A2H4的101.8%、98.4%,差異均不顯著;而處理A3H1的AE-As含量分別是處理A1H1和A2H1的138.97%、106.78%;在未施入腐植酸的處理中,高pH土壤的AE-As含量顯著高于中性和酸性土壤。說明腐植酸可以顯著降低堿性土壤中砷溶解性增加的作用。2.4植物生物量的影響如圖1所示,在每一個(gè)腐植酸用量水平下,生物量都隨pH的升高而降低,但只有在腐植酸零水平下處理間差異達(dá)到顯著水平,說明外源砷在堿性條件下對(duì)植物的毒害更大,同時(shí),隨腐植酸施入量的增加,植物生物量隨之增加,有利于減輕砷對(duì)植物的毒害,腐植酸用量在10g/kg土?xí)r就可以有效降低砷的毒害,施用量繼續(xù)增加后效果不再明顯。腐植酸對(duì)生長的促進(jìn)作用已經(jīng)從大量試驗(yàn)中得到證實(shí)。Adani等報(bào)道指出腐植酸使番茄根的鮮重和干重分別增加16%和18%。從圖2可知,在相同土壤pH條件下,油菜地上部分、地下部分的砷含量均隨腐植酸的施用量的增加而減少,進(jìn)一步說明腐植酸的施入可以減輕砷對(duì)植物的毒害作用。相同腐植酸用量下,土壤pH對(duì)植株砷含量有一定影響,但未達(dá)到差異顯著水平。3土壤環(huán)境與植物砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)系一些研究者對(duì)污灌土壤中重金屬的研究結(jié)果認(rèn)為,腐植酸可以改變土壤對(duì)重金屬離子各形態(tài)的吸持能力,使具有直接毒性的重金屬可溶態(tài)急劇減少,同時(shí)使重金屬氧化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)及有機(jī)結(jié)合態(tài)增加,降低重金屬在土壤中的流動(dòng)性、活性和生物可利用性。但也有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn),隨著土壤中有機(jī)酸特別是胡敏酸(HA)含量增加,As的毒性不僅沒有減少,反而呈增強(qiáng)趨勢。本文研究結(jié)果表明,外源砷加入土壤后迅速被土壤膠體吸附,或者與金屬離子結(jié)合發(fā)生共沉淀作用,還可以與土壤中腐殖質(zhì)發(fā)生絡(luò)合和螯合作用,向相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化,因此,腐植酸對(duì)土壤中的砷有一定的吸附作用。此外,砷的形態(tài)轉(zhuǎn)化還與土壤環(huán)境密切相關(guān)。一般認(rèn)為土壤pH值較高時(shí),較多的砷被還原為溶解性較強(qiáng)的亞砷酸,而使得土壤中AE-As含量較高,生物毒性較強(qiáng)。有研究發(fā)現(xiàn),水溶態(tài)砷和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)砷與土壤pH值之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,這是由于隨著pH值的升高,土壤膠體上正電荷減少,對(duì)砷的吸附能力降低,因此水溶態(tài)砷的含量增高;同時(shí)土壤中的鐵錳氧化物也會(huì)不斷增多,鐵錳氧化物比表面積大,可吸附或共沉淀陰離子,是土壤礦質(zhì)膠體中吸附陰離子的重要部分,其吸附能力得到加強(qiáng),故鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)砷隨pH的增高而增多。另外,在酸性土壤條件下,腐植酸的溶解性差,也不利于腐植酸分子的活性基團(tuán)的離解,腐植酸對(duì)土壤中砷的影響主要靠其分子較強(qiáng)的吸附作用,影響相對(duì)較弱。在堿性條件下,腐植酸的溶解性也增大,活性基團(tuán)的離解程度增加,其化學(xué)活性大大增強(qiáng),使得腐植酸對(duì)砷的吸附量增大;同時(shí)由于砷在堿性條件下的水解作用增強(qiáng),也使砷與腐植酸的質(zhì)子化作用增加,砷易于以較為穩(wěn)定的腐植酸鹽或絡(luò)合物的形式存在,生物毒性較小。腐植酸更有利于土壤中AE-As向其他的相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化,主要體現(xiàn)在O,S-As的增加,腐植酸對(duì)堿性土壤中砷向較穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用更加顯著,而且與腐植酸的施用量呈正相關(guān)。外源砷在堿性條件下對(duì)植物的毒害更大,腐植酸用量在10g/kg土?xí)r就可以有效降低砷的毒害。腐植酸對(duì)植物生長有明顯的促進(jìn)作用,其影響機(jī)理有多方面,例如:腐植酸可通過部分抑制NADH氧化酶的活性,影響細(xì)胞壁內(nèi)的代謝過程,減少氨基酸轉(zhuǎn)化,從而促進(jìn)植物生長。另外,腐植酸能促進(jìn)植物生長,還與腐植酸能促進(jìn)營養(yǎng)吸收以及腐植酸的降解產(chǎn)物能摻入到植物的蛋白質(zhì)和DNA中有關(guān)。本研究中,土壤腐植酸對(duì)油菜生物量的增加有促進(jìn)作用,其影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。4腐植酸對(duì)相關(guān)指標(biāo)的影響1)腐植酸對(duì)土壤AE-As含量的影響顯示,在試驗(yàn)處理的土壤條件下的15d內(nèi),外源水溶態(tài)砷加入土壤后均迅速向相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化,15d時(shí)A3H1和A3H4處理組的轉(zhuǎn)化率分別為78.7%、82.51%。此外,pH對(duì)外源水溶態(tài)砷轉(zhuǎn)化影響顯著。當(dāng)土壤pH相同時(shí),AE-As含量隨腐植酸施入量的增加而降低,在中性和堿性土壤條件下處理間差異達(dá)到顯著水平。2)在中性土壤條件下,隨腐植酸施用量的增加,土壤中AE-As、Fe,Mn-As含量呈現(xiàn)逐漸減少、O,S-As、Res-As含量逐漸增加的趨勢。腐植酸的增加更有