不同改性生物炭的反应活性特性及其对水稻汞积累的影响

【摘要】：汞(Hg)是全球性的环境污染物,各种形态的汞都具有很强的毒性,而有机汞的毒性普遍高于无机汞。特别是甲基汞具有较强的生物累积和生物放大效应,可通过食物链的传递对人体健康造成严重影响。以往的研究发现甲基汞的危害主要来自于水生食物链,然而,近年的研究发现稻米具有较强的甲基汞富集能力,大米消费已成为人体甲基汞暴露的一个重要来源。因此,如何降低稻田中汞的甲基化和减少水稻籽粒甲基汞富集已成为亟需解决的重要现实问题。已有的研究证实,添加生物炭可有效降低稻田汞的甲基化和稻米甲基汞富集,但这些研究中使用的生物炭量极大,成本较高,难以实际应用。考虑到生物炭经改性后,不仅改变了生物炭的结构特征,还丰富了官能团和提升了吸附性能。添加少量、成本可控的改性生物炭能否达到降低稻田汞的甲基化和籽粒中的甲基汞含量的目的,值得研究。为此,本研究首先制备了6种官能团改性生物炭,分别为氨基、乙氧基、环氧基、巯基、壳聚糖和硒改性生物炭,利用SEM、BER/BJH、FTIR、TGA、三维荧光等技术表征并分析其反应活性特征的基础上,再通过盆栽试验,研究了不同改性生物炭对水稻汞富集的影响,同时分析了改性生物炭的反应活性特征与稻米汞富集的相关性,目的是为寻找经济、高效的水稻安全生产材料提供基础。具体研究结果如下:(1)改性生物炭DOM和未改性生物炭DOM的紫外光谱和三维荧光的光谱特性有明显差异。与未改性生物炭比较,改性生物炭DOM的生物降解能力提高,电子供给能力(EDC)显著减小(p0.05),但其光降解能力无明显差异。另外,两种光学指标(SUVA254和S275-295)与DOMBC的生物降解能力和EDC呈明显相关性(p0.05)。更重要的是,可以观察到SUVA254是影响DOMBC颜色变化(a355)主要因素,所以可以将DOMBC的光学特征作为评估其生物地球化学活性的基础指标。(2)在盆栽试验中,与未施加生物炭处理相比较,生物炭(特别是改性生物炭)显著减少了土壤和水稻组织中甲基汞的含量(p0.05)。并且在不同改性生物炭处理之间,对土壤和水稻植株中甲基汞水平的影响程度具有显著性差异(p0.05)。其中硒改性生物炭抑制土壤甲基汞的产生和减少水稻籽粒富集甲基汞的效果最为显著,分别减少了 86.69%和85.78%。其次为壳聚糖改性生物炭,分别减少了 63.02%和75.75%。因此,在6种官能团改性生物炭中,本研究将选用硒改性和壳聚糖改性生物炭应用于稻田汞污染修复中。(3)水稻植株转移运输甲基汞的途径与吸收无机盐和水分等营养物质的途径相似,首先通过根部从土壤中吸收甲基汞,之后向地上部分分别转移到果实、茎和叶片中。水稻植株各组织甲基汞含量的分布呈籽粒稻壳根茎叶的变化趋势。其中在叶片部位呈新叶上叶中叶老叶的分布情况。即籽粒是水稻植株富集甲基汞的主要部位,甲基汞占总汞的百分比显著高于其他组织(p0.05),其范围为79.44%～97.41%,即籽粒对甲基汞的生物富集能力最强且甲基汞是籽粒富集汞的主要形态。但总汞在水稻各组织的分布特征与甲基汞不同,呈根籽粒稻壳茎叶的变化趋势,根部为汞富集的主要部位。(4)土壤和间隙水中的汞是水稻植株富集汞的主要来源,土壤MeHg含量与籽粒MeHg含量呈微正相关关系,可以作为评估预测籽粒MeHg含量基本参数;土壤和籽粒MeHg含量与生物炭DOM具有相关性,其中与CDOM含量(a355)和芳香性(SUVA254)呈显著正相关,与S275-295呈不明显的正相关性。