南方稻田生物结皮对土壤中镉的选择性富集及形态转化机制研究

Biological crusts (BC) are widespread in southern paddy fields, play an important role in the nitrogen-fixation, soil and water conservation for the farmland, and it is an important part of paddy field ecosystem. However, there is rarely report on the BC’s effect on the enrichment and the species of heavy metal in the southern paddy fields. Cadmium pollution is very serious in the paddy fields in our country. The field experiment, simulation experiment and the modern instrument analysis are taken in this project to investigate the adsorption of cadmium on BC and their interactive characteristics after adsorption under alternation of wet and dry in southern paddy fields. Furthermore, the structure-activity relationship and transformation mechanism between BC and the cadmium species would be explored. This research provides the basic knowledge to understand the transition-transformation of cadmium in paddy fields, and supplies scientific theoretical basis to determine its ecological risk. Furthermore, a novel technology on removal of heavy metals from the soil after enrichment would be developmented based on this project.

生物结皮在我国南方稻田中广泛存在，其在耕地固氮、水土保持等方面具有重要作用，是稻田生态系统的重要组成部分。然而，南方稻田生物结皮对土壤中重金属的富集作用及形态转化机制鲜有报道。我国稻田中镉污染非常严重，本项目以生物结皮作为研究对象，利用田间及模拟实验，结合现代仪器分析手段，研究干湿交替条件下生物结皮对镉的富集、结合特征，探讨生物结皮结构与镉形态选择性富集之间的构效关系及形态转化机制。本研究的开展可为深入理解重金属在稻田土壤中的迁移转化规律提供基础知识，进而为判断其最终归宿以及生态风险提供科学依据，也为发展去除土壤中重金属的新技术提供新思路。

生物结皮（BSC）对土壤中重金属镉具有强选择性富集作用，可以有效地将镉从离子态转换为更稳定的生物结合态或非EDTA提取的矿物结合态。结皮中重金属镉主要来自于灌溉水，富集系数为3600~9400。BSC对不同形态镉的选择富集能力为离子态镉>络合态镉>悬浮态镉。其中对离子富集优先顺序为Cd2+>Ca2+>Na+，主要原因为结皮中胞外聚合物（EPS）多糖组分中氨基及磷酸基团对不同类型离子具有迁移能力限制，Cd2+迁移速率为Ca2+的200%，优先与吸附点位进行结合；络合态镉随着分子量增加被吸附能力减弱，悬浮态镉随粒径增加而减弱，这主要与EPS与低分子量物质结合能力强有关。将纳米材料磷酸锰铵（NMP）与生物结皮进行结合（NMP/BSC=2%），生物结皮对镉的选择性依然保持，而吸附容量增加34%，当去除BSC中EPS，对镉选择性消失。因此，研究表明EPS是调控BSC对镉选择性的关键因子。镉在生物结皮中主要通过生物吸附和矿物结合态存在(~90%)，少量以EPS结合态存在。生物结合态含量与生物量有关，主要生物类型为变形菌、拟杆菌和蓝藻细菌，结合位点主要为含磷基团。生物结皮中镉部分以锰氧化物结合态存在，占比随环境中锰浓度增加，主要通过锰氧化成矿过程而进入锰氧化物晶格中，从而实现镉从活性转化成非活性形态。通过增加水体中锰浓度（0-20 mg/L），结皮中总锰的含量从50mg/Kg增加到750mg/Kg，其中成矿状态的锰占65-80%，结皮中富集的镉含量，从5.0mg/Kg增加到8.2mg/Kg，其中成矿状态的镉占45-75%。锰是有效调控生物结皮富集钝化镉的因素。