高风险农田中砷的生物有效性及微生物调控机制

砷是环境中重要的污染物之一，近年来我国相继爆发多次严重的砷污染与中毒事件，其引起的土壤与农产品安全问题已成为人们关注的焦点。前期研究发现，我国农田土壤砷污染问题日渐突出，然而，目前农田土壤砷的累积机制尚不清楚，且缺乏有效的防控方法。本项目拟以高砷背景影响、含砷矿冶废水灌溉和含砷畜禽粪肥的施用等3类主要砷污染来源的农田为对象开展研究,试验采用TEM、DGT、HPLC-HG-AFS等现代仪器分析手段，研究不同污染成因农田土壤中砷的化学形态、结合形态及释放过程，了解各类高风险农田中砷的赋存特征和累积机制；利用前期所筛选对砷具有强固定和挥发功能的微生物进行砷风险调控机制研究。最终系统揭示不同成因影响下农田土壤砷污染发生机制，建立农田土壤砷风险的微生物调控新方法。

砷污染已成为当今世界的重大环境问题，对砷污染高风险农田的安全利用与生物有效性调控成为关系国计民生的科学命题。本项目研究了三类污染成因污染农田砷的累积机制与释放过程，同时探讨耐砷菌进入高砷风险农田后土壤砷生物有效性、赋存形态的变化规律，为实施砷污染土壤修复与调控提供科学依据。结果表明，三种成因影响下土壤结合形态砷差异明显，从非专性吸附态砷看，以含砷有机肥施用的砷累积土壤比例最高，其次为工矿活动砷污染土，以高砷背景土壤所占比例最低，这种差异与不同土壤的污染成因直接相关，植物吸收砷不仅与砷的赋存形态相关，阳离子交换量、粗砂、粘粒、pH和有机质等土壤特性因子也是影响植物吸收砷的关键因素。含砷矿物与高砷背景土中砷释放行为相似，有效砷含量均随pH值的升高呈增加趋势，而畜禽有机肥、化学氮肥及磷肥的施用促进了高砷土壤中砷的释放和溶出，这主要与残渣态和晶质氧化物结合态砷转化为非专性吸附态等过程相关，同时溶解性有机质DOM是导致土壤砷释放的重要驱动因素。模拟饱和柱淋溶试验的结果表明，有机肥的施用伴随着土壤中非专性吸附态砷含量增加，可加速高砷背景土壤尤其是表层土中砷向深层次土体的迁移，底层土壤累积砷的现象明显，环境风险加大。含砷工矿废水灌溉清洁土的试验表明，土壤砷累积主要发生在0-5cm的表层，土壤中非专性吸附态、专性吸附态砷的比例不断加大，残渣态砷的比例不断减少，20cm以下砷累积土壤结合态砷则略微不同，晶质氧化物结合态砷比例上升，其他四种形态比例则减少。随着畜禽有机肥中洛克沙胂进入土壤，土壤有效砷含量随时间不断降低，洛克沙胂不断衰减固定过程中发生了向As(III)As(V)的交替转化，此过程与微生物活动有关。耐砷真菌P. janthinellum, F. oxysporum, and T. asperellum具有较强将As(V)转化为As(III)、MMA和DMA的能力，主要通过甲基化及还原作用完成；耐砷菌T. asperellum的加入促进高砷土砷的活化与释放，对其它两类砷累积土壤砷表现为前期有所固定后期活化，但多与对照差异无显著；对工矿活动影响的外源砷污染土，耐砷菌该土中砷的挥发作用较强，对高砷背景土则不显著，耐砷菌导致土壤根际微生物群落活性明显高于非根际；耐砷菌与零价铁联合作用可大大降低土壤有效砷含量和植物对砷的吸收，土壤微生物群落多样性增加，具有一定的田间应用前景。