锰氧化物纳米材料阻控土壤-水稻中砷的迁移转化机制研究

砷污染是全球的环境问题。素有"有色金属之乡"之称的湖南由于采矿和冶炼等人为活动，导致土壤和水稻中砷含量严重超标，影响了农业可持续生产和大米出口贸易，威胁到人们的身体健康。在保护基本农田的前提下，对于砷污染稻田不能轻易改变其性质和轮作，须采取有效措施阻控土壤砷的生物有效性和减少稻米中砷含量。本研究选择湖南省典型工矿区砷污染稻田土壤-水稻为研究对象，制备锰氧化物纳米材料并表征，将吸附-解吸实验、温室盆栽实验和野外稻田实验相结合，开展土壤砷生物有效性的环境影响因子的研究，以及不同生育期水稻对土壤砷的吸收积累规律和低砷吸收水稻品种的筛选研究，通过分析土壤理化性质、土壤溶液、水稻根表铁膜数量、水稻生化指标和水稻中砷含量及形态变化，建立锰氧化物纳米材料吸附土壤砷的表面模型，明确锰氧化物纳米材料阻控土壤-水稻砷的迁移转化机理，有利于粮食安全生产，丰富了纳米技术内容，为锰氧化物在环境污染修复上提供科学依据

由于采矿和冶炼等人为活动，导致湖南土壤和水稻中砷含量严重超标，影响了农业可持续生产和大米出口贸易，威胁到人们的身体健康。因此，须采取有效措施阻控土壤砷的生物有效性和减少稻米中砷含量。本研究选择湖南省典型工矿区砷污染稻田土壤-水稻为研究对象，制备纳米二氧化锰材料并表征，将吸附-解吸实验、温室盆栽实验和野外稻田实验相结合，开展土壤砷生物有效性的环境影响因子的研究，以及不同生育期水稻对土壤砷的吸收积累规律和低砷吸收水稻品种的筛选研究，通过分析土壤理化性质、土壤溶液、水稻根表铁膜数量和水稻中砷含量及形态变化，明确锰氧化物纳米材料阻控土壤—水稻砷的迁移转化机理，有利于粮食安全生产，丰富了纳米技术内容，为锰氧化物在环境污染修复上提供科学依据。主要研究结果：（1）自制的纳米二氧化锰成团簇状，结构均匀、分散的球状团聚结构，团簇微球的尺寸为1000～1500 nm，单个的纳米针是直径约为50nm，长度约为500nm。随着纳米二氧化锰用量的增加，对砷的吸附效果呈逐渐增加的趋势。同时发现运用鸡蛋壳和氢氧化铁进行修饰的纳米二氧化锰材料比没有修饰的 二氧化锰的吸附能力要高。（2）与对照土壤相比，添加纳米二氧化锰对土壤中Ca-结合态As的含量有所减少，随着浓度的增加，Ca-As量越来越少，且浓度为2.0%的纳米二氧化锰添加量土壤中Ca-结合态As最少，为12.25%；纳米二氧化锰对土壤中松散结合态As有一定影响，但影响效应不显著；同时发现，对于土壤中的残渣态As，添加纳米二氧化锰对其有一定增加作用。（3）温室培养和野外稻田实验表明，添加不同浓度的纳米二氧化锰，土壤溶液pH值没有显著变化，土壤溶液中砷、铁、锰的浓度随着水稻生长的时间增加而降低；不同时期水稻中砷的分布规律是根部＞茎部＞叶部，水稻植株中锰和砷的含量呈显著负相关（p<0.05）；不同浓度的纳米二氧化锰有效控制水稻糙米中砷含量，表明纳米二氧化锰能有效阻控土壤砷向水稻迁移。（4）野外稻田实验表明，砷污染导致水稻稻谷的产量显著下降。不同水稻基因型的根系中砷的含量是土壤中砷含量的3.1-6.0倍。34个不同水稻基因型中砷的分布具有显著性的差异（p <0.05），杂交中稻糙米样品中砷的含量低于杂交晚稻基因型糙米中砷的含量和常规稻中砷的含量。不同水稻基因型的糙米中无机砷的浓度都>0.15 mg/kg。