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锰氧化物—生物炭复合材料对砷的生物有效性的影响

于志红  
【摘要】:在我国尤其是南方,土壤和水体环境中的砷污染面积不断扩大。在污染农田种植作物或者用污染水灌溉农田,都有可能会使砷(尤其是无机砷中的三价砷)在作物体内累积,致使产量及品质下降,通过食物链对人类健康产生危害。如何保证在砷污染农田生产出合格的稻米,已引起社会的广泛关注。本研究以玉米秸秆源生物炭(简写:BC)为原料,通过锰氧化物改性制备成兼具吸附与氧化作用的锰氧化物-生物炭复合材料(简称:炭锰材料,简写:MBC),利用吸附实验,探讨了炭锰材料对水溶液中的砷(Ⅲ)的吸附去除机制及其对污染土壤中的砷的氧化效果;在此基础上,通过盆栽试验,研究不同用量炭锰材料对水稻中的砷的形态及含量影响及籽粒中氨基酸含量的影响。结论如下:(1)成功制备了吸附性能较好的炭锰材料扫描电镜分析显示,锰已嵌入到生物炭微孔隙中。傅里叶红外光谱结果表明,炭锰材料的表面官能团发生了一定的变化,其表面的羟基,酚羟基,羧基等官能团数量明显增多。与生物炭和锰氧化物对照相比,炭锰复合材料对砷(Ⅲ)吸附性能提高,其对砷(Ⅲ)最大吸附量为20.08 mg·g-1,较生物炭的最大吸附量(11.41 mg·g-1)提高近2倍,是锰氧化物的最大吸附量7.86 mg·g-1的2.55倍。在3-7的范围内,pH对炭-锰复合材料和生物炭吸附砷(Ⅲ)的性能影响不大。动力学实验发现,其吸附迅速,在30min内对砷(Ⅲ)的吸附即可达到最大,且吸附过程符合动力学准二级反应方程(R20.99)。炭锰材料对水体中砷(Ⅲ)有较好的去除作用。(2)添加炭锰材料后明显提高了红壤对砷的吸附容量与空白对照及添加生物炭处理相比,添加炭锰材料可以明显提高红壤对砷的吸附容量(1.436 mg·g-1),是添加生物炭的红壤吸附量(0.804 mg·g-1)的1.786倍。添加炭锰材料后,会改善红壤的性质,降低砷(Ⅲ)在土壤中的移动性。FTIR和XPS分析显示,添加炭锰材料后,明显增加土壤表面的有氧官能团如O–H,C=O,Mn–O,和Si–O等数量。(3)添加炭锰材料后,明显增加水稻籽粒产量,降低水稻籽粒中的吸收,增加必需氨基酸比例趋势高浓度砷污染的土壤中,增加炭锰材料施用量,会明显提高籽粒产量与空白对照比较,炭锰材料1%和2%施用量处理,为籽粒中砷的总量分别降低了11.4%和19.4%;砷(Ⅲ)和二甲基砷的含量,分别降低了11.2%、17.4%和21.0%和49.7%。低浓度砷污染土壤上,与空白对照相比,添加生物炭和炭锰材料对水稻的生物量无显著性增加,但添加炭锰材料对籽粒的产量有显著性提高(p0.05),随着炭锰材料用量的增加,较空白对照分别提高了5.60%、20.03%;炭锰材料1%和2%施用量处理的稻米籽粒中砷总量较空白分别降低了18.4%、26.3%和18.4%,砷(Ⅲ)含量,较空白分别相对降低了14.7%、25.4%和19.6%。与等添加量的生物炭处理比较,1%的炭锰材料添加的水稻籽粒中的砷含量相对降低了11.5%。在高、低砷污染土壤上,添加炭锰材料后,水稻籽粒中的必需氨基酸占总氨基酸的比例有增加的趋势,说明炭锰材料对水稻籽粒的品质有改善作用。(4)炭锰材料影响水稻吸收砷的机理炭锰材料对水稻吸收砷的影响主要是通过将砷固定在材料表面,降低其在土壤及溶液中的砷有效性,而且水稻根表锰膜也有助于阻碍砷水稻根系吸收砷((Ⅲ))、砷(Ⅴ),尤其是砷(Ⅲ),然后降低了根系对砷的吸收,也就降低了水稻籽粒中的砷的含量。


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