天然有机质（NOM）调控土壤镉和铅生物活性的效应与机理研究

Natural organic matter (NOM), widely distribute in the environment, plays important role in regulating the bioactivity of heavy metals in soil, and application of organic substances containing NOM is an often-used and easy way to deal with soil heavy metal pollution. In this proposal the bioactivities of cadmium and lead in soils to both rice and humans as influenced by NOM are to be studied simultaneously by means of chemical analyses, rice pot experiments, in vivo and in vitro animal experiments. The separation and characterization of NOM and its components will be done by ultrafiltration, solubility classification followed by spectroscopy and NMR and chemical analyses, and influences of NOM and its components on the bioactivities of Cd and Pb to plants and humans are then studied to elucidate the overall effects of NOM in relation to its components. The threshold values of NOM composition for activation or deactivation of Cd, Pb bioactivity in soil will be established. The mechanisms of NOM in regulating soil Cd and Pb are to be elucidated through the analyses of soil properties, organic compositions, soil chemical behaviors of Cd and Pb as influenced by NOM and its different components, with the purposes for better understanding the biogeochemical behaviors of NOM and for the risk control of soil Cd, Pb pollution.

天然有机质（NOM）对土壤重金属生物有效性具有重要影响，施用含NOM的有机物料是重金属活性调控的重要措施。项目采用NOM分子量连续超滤分级和传统可溶性分级方法，结合光谱学、核磁共振、化学分析等手段，对不同来源NOM及其组分进行分离表征，以污染现象普遍、危害突出、移动性差异大的镉、铅两种元素为对象，以易累积镉大宗粮食作物水稻作为植物代表，以小鼠和蚯蚓作为试验动物，采用水稻盆栽试验、in vivo动物实验和in vitro模拟试验，结合室内化学分析，同步研究NOM及其分子组分影响土壤中镉、铅动植物生物有效性的表观效应，揭示NOM生物有效性表观效应与其分子组分的关系，探讨NOM活化或钝化土壤镉、铅的分子组成临界阈值；分析NOM对土壤性质、土壤溶液有机物分子组成、镉/铅化学行为的影响，阐释NOM调控土壤镉、铅生物有效性机理。深化对NOM生物地球化学行为的认识；为土壤镉、铅污染修复提供科学依据。

天然有机质（NOM）广泛存在于自然环境，对土壤重金属生物有效性具有重要影响，施用含NOM的有机物料是重金属活性调控的重要措施。研究阐明NOM对于重金属生物活性的调控效应与机理，是深入认识NOM生物地球化学行为的理论基础，也是利用有机物料修复污染土壤的科学支撑。. 项目系统地研究了NOM组分的组成和性质特征，指出NOM不同组成主要元素组成、基本结构单元、功能基团类型以及光谱学特征具有相似性，分子大小与结构复杂程度是决定其化学性质及其对重金属活性影响的关键。NOMs组分性质差异主要体现在C/H、C/O等元素比例、分子极性、芳香碳和不饱和组分聚合程度、组分中腐殖酸类、蛋白质类结构占比的不同。随着组分分子量的增加，C、H增加，O含量减少，组分分子极性降低，芳香碳和不饱和组分聚合程度增加，总酸性功能基团、酚羟基、羟基、甲氧基功能基团相对含量减少，组分结构中腐殖酸类结构、脂肪族类结构单元占比增加、类蛋白结构单元降低。. 以藻类、蚯蚓、作物（水稻）等为对象，采用In vivo和In vitro方法，系统了NOM组分对土壤Cd、Pb动植物生物有效性的影响，深入剖析了NOM影响土壤重金属生物有效性的“结构-效应”关系。指出NOM组分对土壤Cd、Pb生物有效性在动、植物表现出不同的效应，高分子组分可以强化其对蚯蚓的毒性，但对植物（藻类、水稻）则表现为钝化效应，可显著降低重金属的吸收累积。从NOM对于影响溶液中Cd、Pb形态、土壤吸附特征、形态分配、根际pH、DOM组成与铁膜形成、作物吸收转运与生物累积等多角度阐释了其调控土壤重金属生物活性的机理。表明低分子量组分与蚯蚓体内吸附点位竞争Cd、Pb离子的能力更强，添加低分子组分降低了蚯蚓对Cd、Pb的结合，从而减轻了重金属毒害；而高分子组分通过促进Cd、Pb向有机结合态、残余态等低活性态转化、提升根际DOM芳香性、增加腐殖质类结构、促进根表铁膜形成等机制，降低重金属植物有效性。提出了NOM调控重金属生物活性的“分子尺度效应”新观点；确定了NOMs分子量≥10 k Da或有机物料中HA/FA比≥3是调控土壤重金属生物有效性的临界分子组成阈值。圆满回答了项目提出的关键科学问题，实现了预期研究目标，深化了对NOM生物地球化学行为、环境效应的认识，为利用含NOMs有机物料修复镉、铅污染土壤提供科学依据。