负载铁生物炭对水稻根际砷生物有效性的控制作用与机理研究

Arsenic, a class 1 carcinogen, is the most prominant metalloid contaminant in rice. How to achieve an effective remediation of As in paddy soil-rice system is calling for urgent solutions confronting our whole country. On the basis of iron-impregnated biochar(FeBC), we propose to investigate the mitigating effect of As bioavailability in paddy rice rhizosphere by FeBC and the underlying mechanisms. In this proposal, we firstly aim to identify the mechanisms of As adsorption by FeBC focusing on the role of the pore structure, surface chemical properties of FeBC, and the loaded iron fractions. In addition,competitive uptake and desorption experiments will be carried out to demonstrate the effect of typical anions on As adsorption by FeBC. Furthermore, bioavailable As level and transport kinetics in rice rhizosphere soils, As retention by iron plaque on rice root as well as As accumulation and fractions in rice will be investigated to elucidate the mitigating effect of FeBC on As bioavailability in rice rhizosphere.The knowledge gained from this research can provide imperative foundation to achieve an effective in-situ remediation of As in paddy soils and reduction of As accumulation in rice.

砷作为第一类致癌物是造成我国稻米污染的一种最突出类金属，如何高效修复稻田土壤As污染已成为我国目前亟待解决的重要科学问题。本项目以负载铁生物炭(FeBC)为基础，提出研究FeBC对水稻根际As生物有效性的控制作用与产生机理。首先，在利用FeBC高效吸附溶液As基础上，通过SEM-EDS、FTIR、XPS等分析手段，探索FeBC吸附As反应机制，重点明确FeBC孔径结构、表面化学性质和负载铁形态在吸附As反应中的作用，并利用竞争吸附和解吸实验揭示典型环境阴离子对FeBC吸附As效率与作用稳定性的影响。在此基础上，重点分析FeBC对水稻根际土壤生物有效态As浓度与迁移动力学过程、根表铁膜As持留量与空间分布特征以及稻米As含量与化学形态的影响，系统阐明FeBC对水稻根际As生物有效性的控制作用。本项目预期研究成果能够为利用FeBC原位高效修复稻田土壤As污染、控制稻米As积累提供重要科学基础。

砷作为第一类致癌物已成为造成我国稻米污染的最突出类金属，如何高效修复稻田土壤As污染是我国目前亟待解决的重要环境问题。本项目围绕负载铁生物炭（FeBC）对水稻根际As生物有效性的控制作用与产生机理，展开了以下系统研究：(1) 建立了利用化学沉淀法高效制备磁性和非磁性FeBC的方法体系，利用BET法结合SEM-EDS和XRD等手段表征了FeBC的比表面积、孔隙度、粒径分布、表面形貌、元素组成和矿物形态。(2) 通过动力学和等温吸附实验，明确了FeBC对溶液体系中As(V)的高效吸附特征：8h内对100-5000μg/L As(V)的吸附基本达到平衡，24 h后可使As(V)浓度降低至<10μg/L，最大吸附容量为7.41mg/g；当竞争性磷酸根、锑酸根和铬酸根达到As(V)浓度的15-75倍时，FeBC对As的去除率仍接近100%。利用FeBC滤床穿透实验，明确了进水As(V)浓度为402μg/L时，1000EBV水量能得到高效净化，出水As(V)浓度<10μg/L。(3)利用FTIR、XPS等分析手段，揭示了As(V)含氧阴离子与FeBC表面羟基之间的配位基交换和氢键作用是FeBC高效吸附As的主要微界面反应机制。(4) 以湖南郴州柿竹园矿区和石门雄黄矿周边As污染稻田土壤为基质对水稻进行了全生育期培育，设置梯度FeBC处理，沿时间剖面对根际土壤Eh、pH和孔隙水As、Fe含量进行了分析测定；利用化学提取结合同步辐射微区X射线荧光μXRF技术揭示了FeBC对水稻根表Fe、As持留量与空间分布特征的影响；在此基础上深入分析了FeBC对根表铁膜和稻米As积累的影响模式与形成机制。结果表明，0.5% FeBC能够在抽穗期和灌浆期显著降低根际土壤孔隙水As浓度；随FeBC应用比例的升高，根表铁膜中DCB-Fe含量呈上升趋势，但DCB-As浓度却逐步下降，这与根际土中难溶性铁氧化物结合态As 出现显著增加的结果相一致；0.5-2% FeBC均对白根和稻杆As积累产生了显著的减控作用，对稻壳和糙米As积累量的影响稍弱。以上研究结果对于深入理解FeBC对水稻根际As生物有效性的控制作用、有效提高Fe基钝化剂在控制土壤-水稻系统As污染中的应用效能提供了重要科学基础。