（环境工程专业论文）污染土壤重金属分子形态及其根际转化机制研究.pdfVIP

浙江大学博士学位论文 摘要 土壤重金属的生物可给性及其环境风险主要取决于其形态而非总量。重金 属因与土壤有机质的高亲和能力而以有机结合态广泛赋存于土壤中，然而不同 有机结合态重金属的生物可给性却少有研究。重金属的根际形态转化是调控其 在土壤一植物系统迁移的关键。根系分泌物和根际微生物作用通常导致根际富含 有机质，进而形成有机结合态重金属而改变土壤重金属的形态及其生物可给 性，但是该转化过程尚不完全清楚。相对于化学提取法，同步辐射x 射线吸收 精细结构( x a f s ) 谱因能表征重金属的分子形态而倍受青睐。然而采谱过程中 可能造成样品损伤而影响重金属的形态表征，进而在方法学上还有待深入研 究。鉴于此，本论文通过选取冶炼厂和矿区两种典型重金属污染土壤，一以重金 属铜、铅为例，利用化学提取法和同步辐射x a f s 谱技术，对上述科学问题进 行了较为系统的研究。研究成果主要包括： 揭示了冶炼厂污染土壤中富菲酸结合态铜、铅均具有生物可给性，并且富 菲酸结合态铜是生物可给态铜的主要贡献者；而生物可给态铅则与可交换态 铅、吸附态铅以及富菲酸结合态铅密切相关。进一步证实了土壤铜、铅的形态 而非总量决定其环境风险，虽然冶炼厂周边污染土壤铜、铅总量低于矿区土 壤，但其生物可给态含量高于后者，因此冶炼厂污染土壤较矿区土壤的环境风 险更高。 首次发现了第三代同步辐射软x 射线可在x a n e s 谱采集时间尺度内显著 诱导有机含铜( ) 化合物光还原，而硬x 射线在常规采谱过程中则无显著影 响；高光子通量的软x 射线是诱发上述过程的主要原因，辐射剂量在o 1m g y 左右可有效防止其辐射损伤；并进一步利用铜的乙边x a n e s 谱、氧和碳的k 边x a n e s 谱，并结合扫描透射显微术( s t x m ) 揭示了乙酸铜的光还原机制及 辐射损伤过程，进而为有效应用该技术研究土壤铜分子形态奠定了理论基础。 揭示了冶炼厂和矿区污染土壤铜在第一壳层主要与氧结合，其中冶炼厂污 染土壤铜在第一壳层与6 个氧原子配位，呈扭曲的八面体；第二壳层主要与2 个碳原子配位，平均间距为3 2 3a ；从而可知铜很可能与有机质形成二齿六元 环型的内层配合物，推进了对土壤铜形态的认识。对于有机质含量低的矿区土 壤，铜在第一壳层主要由6 个氧原子配位，呈正八面体；第二和第三壳层则分 别与铜原子和铁原子配位，间距分别为2 7 5a 和3 0 3a ，配位数分别l 和2 2 ， 浙江大学博士学位论文 表明铜主要与含铁矿物结合，并很可能在其晶格之内。综上可知，土壤铜的分 子形态与其来源和土壤性质密切相关，土壤有机质是控制污染土壤铜分子形态 的首要因素。 发现了海州香薷根际效应导致土壤铜、铅，尤其是不同有机结合态，在根 际与非根际间形态差异显著。冶炼厂和矿区土壤中富菲酸结合态铜、铅在海州 香薷根际均高于非根际土壤，这很可能是海州香薷对土壤铜铅的活化机制。重 金属的根际形态转化还与土壤性质、重金属种类密切相关。冶炼厂污染土壤中 铜铅形态转化主要由根系分泌物和根际微生物共同作用所致，而矿区土壤中其 形态转化则与根际微生物更密切。此外，常规的x a f s 谱分析并不足以有效表 征根际铜的转化过程，因而顺序提取法在该领域仍具有较强的应用价值。 关键词：重金属，分子形态，生物可给性，同步辐射x 射线吸收精细结构 ( x a f s ) 谱，辐射损伤，根际，海州香薷，土壤有机质 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h eb i o a v a i l a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a lr i s ko fh e a v ym e t a l si ns o i l sd e p e n d s g r e a t l yo nt h e i rs p e c i a t i o n , n o tt h e i rt o t a la m o u n t s h e a v ym e t a l s ，d u et ot h e i rh i g h a f f i n i t yw i t ho r g a n i cm a a e r ，w e r ew i d e l yd i s t r i b u t e di n s o i l sa so r g a n o m e t a l l i c c o m p l e x e s h o w e v e r , f e w s t u d i e sh a v e b e e nc o n d u c t e dt o i n v e s t i g a t e t h e b i o a v a i l a b i l i t yo fd i f f e r e n to r g a n i c - b o u n df r a c t i o n so fh e a v ym e t a l si ns o i l s t h e t r a n s f o r m a t i o no fh e a v ym e t a l si nt h er h i z o s p h e r ei st h ec r i t i c a l p r o c e s sf o rt h e r e g u l a t i o no ft h e i rt r a n s f e ri n t h es o i l - p l a n ts y s t e m s t h er h i z o s p h e r ei sg e n e r a l l y e n r i c h e dw i t hs o i lo r g a n i cm a t t e rd u et or o o te x u d a t e sa n dm i c r o b i a la c i t i v i e s ，t h u s i n f l u e n c i n gt h es p c i a t i o na n db i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l si nt h er h i z o s p h e r e h o w e v e r , t h et r a n s f o r m a t i o no fd i f f e r e n to r g a n i c b o u n df r a c t i o n so fh e a v ym e t a l si n t h er h i z o s p h e r eh a sn o tb e e n f u l l yu n d e r s t o o d c o m p a r e dt oc h e m i c a le x t r a c t i o n m e t h o d s ，s y n c h r o t r o nb a s e dx r a ya b s o r p t i o nf i n es t r u c t u r e ( x a j f s ) s p e c t r o s c o p y g a i n sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s et h i st e c h n i q u ec a l lp r o b et h em o l e c u l a r s p e c i a t i o no fh e a v ym e t a l si ns o i l s h o w e v e r , s y n c h r o t r o nx - r a yr a d i a t i o nm a y d a m a g et h et a r g e t e ds a m p l e s ，w h i c hr e s u l t si nt h ei n a c c u r a t ec h a r a c t e r i z a t i o no fm e t a l s p e c i a t i o n t h e r e f o r e ，t h em e t h o d o l o g y o fx a f sd e s e r v e sf u r t h e rs t u d i e s c o n s e q u e n t l y , w es e l e c t e dt w ot y p i c a ls m e l t e rc o n t a m i n a t e ds o i la n dm i n i n gs o i l ，a n d u s e dc h e m i c a le x t r a c t i o nm e t h o d sa n ds y n c h r o t r o nb a s e dx a f ss p e c t r o s c o p yt o s y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ea b o v es c i e n t i f i cq u e s t i o n sw i t hf o c u so nc o p p e r ( c u ) a n dl e a d ( p b ) i nt h i ss t u d y t h er e s u l t so ft h i ss t u d yw e r ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g s i nt h i s s t u d y , c u - f u l v i cc o m p l e x e sa n dp b - - f u l v i cc o m p l e x e sw e r ed e m o n s t r a t e d t 0b ew i t hb i o a v a i l a b i l i t yi nt h es m e l t e rc o n t a m i n a t e ds o i l c u f u l v i cc o m p l e x e s m a i n l yc o n t r i b u t e dt h eb i o a v a i l a b l ec ui nt h es o i l t h eb i o a v a l l a b l ep bs i g n i f i c a n t l y c o r r e l a t e dw i t he x c h a n g e a b l ep b ，a d s o r b e dp ba n dp b f u t v i cc o m p l e x e s t h i ss t u d y f h t h e rv e r i f i e dt h eb i o a v a i l a b i l i t ya n d e n v i r o n m e n t a lr i s ko fc u p bi ns o i l sw a s d e t e r m i n e db yt h e i rs p e c i a t i o n , n o tt h e i rt o t a la m o u n t s t h et o t a la m o u n t so fc u p bi n t h es m e l t e rc o n t a m i n a t e ds o i lw e r el o w e rt h a nt h a ti nt h em i n i n gs o i l h o w e v e r , c u p b i nt h es m e l t e rc o n t a m i n a t e ds o i l ，d o m i n a t ei na d s o r b e da n dm e n t a l f u l v i cc o m p l e x e s ， h a dh i g h e rb i o a v a i l a b i l i t yt h a nt h a ti nt h em i n i n gs o i l t h e r e f o r e ，t h es m e l t e r i i l 浙江大学博士学位论文 c o n t a m i n a t e da g r i c u l t u r a ls o i lh a dh i g h e re n v i r o n m e n t a lr i s kt h a nt h em i n i n gs o i l t h i ss t u d yf i r s t l ye x h i b i t e ds y n c h r o t r o ns o f tx r a yb e a mc o u l ds i g n i f i c a n t l y i n d u c et h ep h o t o r e d u c t i o no fo r g a n i cc u ( i i ) c o m p o u n d si nat h i r dg e n e r a t e d s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t yo nt h et i m es c a l eo fx a n e sm e a s u r e m e n t s h o w e v e r , h a r dx r a yb e a mh a si n s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h e s es a m p l e sd u r i n gr o u t i n ex a n e s a n de x a f se x p e r i m e n t s h i g hp h o t of l u xw a st h em a j o rr e a s o nf o rt h ea b o v e p h o t o r e d u c t i o ni n d u c e db ys o f tx r a y p h o t o r e d u c t i o no no r g a n i cc u ( i i ) c o m p o u n d s ( c ua c e t a t e ) c o u l db ep r e v e n t e dw h e nk e e p i n gt h er a d i a t i o nd o s ea ta b o u to 1m g y f u r t h e r m o r e ，m u l t i p l es y n c h r o t r o nb a s e dx a f ss p e c t r o s c o p y ( c ul e d g e ，oa n dc k e d g ex a n e s ) a n dt h es c a n n i n gt r a n s m i s s i o nx r a ym i c r o s c o p y ( s t x m ) w e r e u s e dt or e v e a lt h em e c h a n i s mo fp h o t o r e d u c t i o na n dt op r o b et h es p e c i f i cr a d i a t i o n d a m a g ep r o c e s sf o rc ua c e t a t e o u rs t u d yb u i l tt h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o ni nt h e m e t h o d o l o g yo fs o f tx a n e ss p e c t r o s c o p yf o ri t sa p p l i c a t i o ni n t h ep r o b eo fc u s p e c i a t i o ni ns o i l s i nt h i ss t u d y , s o i lc uw a sm a i n l ya s s o c i a t e dw i t ho x y g e na t o mi nt h ef i r s ts h e l l f o rb o t ht h es m e l t e rc o n t a m i n a t e ds o i la n dm i n i n gs o i l c ui nt h es m e l t e r c o n t a m i n a t e ds o i lw a sc o o r d i n a t e dw i t h6o x y g e na t o m sa n df o r md i s t o r t e d o c t a h e d r o ns t r u c t u r e t h es e c o n ds h e l lc u cp a r a m e t e r so ft w oc u cb o n d se q u a lt o 3 2 3a t h e r e f o r e c ui n t h i ss o i lm a i n l yb o u n d e dt oo r g a n i cm a t t e rb r i d g e db y f u n c t i o n a l g r o u p sw i t ho x y g e nb i n d i n g s i t e sa n df o r m e db i d e n t a t ei n n e r - s p h e r e c o m p l e x e sw i t has i x - m e m b e r e dr i n g t h e s er e s u l t si m p r o v et h ef t h t h e ru n d e r s t a n d i n g o ft h em o l e c u l a rs p e c i a t i o no fc ui ns o i l s f o rt h em i n i n gs o i lw i t hl o wo r g a n i cm a t t e r c o n t e n t , e a c hc ua t o mm a i n l yc o o r d i n a t e d6o x y g e n sa tt h ef i r s ts h e l lw i t ho c t a h e d r o n s t r u c t u r e m o r e o v e r , s o i lc uw a sm a i n l ya s s o c i a t e dw i t ho n ec o p p e ra t o mi nt h e s e c o n ds h e l lw i t hc u c ud i s t a n c ee q u a lt o 2 7 5a a n dw i t ht w oi r o na t o m si nt h e t h i r ds h e l lw i t hc u f ed i s t a n c ee q u a lt o3 0 3a t h e r e f o r e c ui nt h em i n i n gs o i l m a i n l ya s s o c i a t e dw i t hi r o nm i n e r a l s ，p r o b a b l yf i x e di nt h ec r y s t a l l a t t i c e s i n c o n c l u s i o n , t h em o l e c u l a rs p e c i a t i o no fc ui ns o i l sd e p e n d sg r e a t l yo nt h e i ro r i g i n s a n ds o i lp r o p e r t i e s s o i lo r g a n i cm a t t e rs h o u l db et h ep r i m a r yf a c t o rc o n t r o l l i n gt h e s p e c i a t i o na n db i o a v a i l a b i l i t yo fc u i ns o i l s 浙江大学博士学位论文 t h i ss t u d yi l l u s t r a t e dt h es i g n i f i c a n tr o o ti n d u c e dd i f f e r e n c e si nt h ef r a c t i o n so f c u p b ，e s p e c i a l l yd i f f e r e n to r g a n i c - b o u n df r a c t i o n s ，b e t w e e nt h er h i z o s p h e r ea n dn o n r h i z o s p h e r eo fe l s h o h z i as p l e n d e n s c o m p a r e dt ot h en o n r h i z o s p h e r e ，c u p b f u l v i c c o m p l e x e ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d i nt h e r h i z o s p h e r e f o rb o t ho ft h es m e l t e r c o n t a m i n a t e ds o i la n dt h em i n i n gs o i l t h e r e f o r e ，r h i z o s p h e r ee f f e c to fes p l e n d e n s m a ye n h a n c et h eb i o a v a i l a b i l i t yo fs o i l c u p bb yt h ef o r m a t i o no fc u p b f u l v i c c o m p l e x e si nt h er h i z o s p h e r e t h et r a n s f o r m a t i o no fh e a v ym e t a l si nt h er h i z o s p h e r e a l s od e p e n d e dg r e a t l yo nt h es o i lp r o p e r t i e sa n dt h es p e c i e so fh e a v ym e t a l s ，a n d d i f f e r e n ts o i l p r o p e r t i e s t h et r a n s f o r m a t i o no fc u p bi n t h er h i z o s p h e r eo fe s p l e n d e h sw a sm a i n l ya t t r i b u t e dt ot h er o o t e x u d a t e sa n dm i c r o b i a la c t i v i t i e si nt h e s m e l t e rc o n t a m i n a t e ds o i l ，b u tm u c hm o r er e l a t e dt or h i z o s p h e r em i c r o o r g a n i s m st h a n r o o te x u d a t e si nt h em i n i n gs o i l i na d d i t i o n , b u l kc uk e d g ex a n e sa n de x a f s s p e c t r o s c o p yf a i l e dt op r o b et h et r a n s f o r m a t i o no fc ui nt h er h i z o s p h e r eo fe s p l e n d e n s a tt h em o l e c u l a rl e v e l c o n s e q u e n t l y , s e l e c t i v e s e q u e n t i a l e x t r a c t i o n m e t h o d ss t i l lp l a ya l li m p o r t a n tp a r ti nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h er h i z o s p h e r i c t r a n s f o r m a t i o no f h e a v y m e t a l s k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l ，m o l e c u l a rs p e c i a t i o n ，b i o a v a i l a b i l i t y , s y n c h r o t r o n r a d i a t i o nx - r a ya b s o r p t i o nf i n es t r u c t u r e s p e c t r o s c o p y , r a d i a t i o nd a m a g e ， r h i z o s p h e r e ，e l s h o l t z i as p l e n d e n s ，s o i lo r g a n i cm a t t e r v 感谢 国家自然科学基金重点项目“重金属在土壤微生物根系微界面迁移转化 的分子机制 ( 4 0 4 3 2 0 0 4 ) 国家自然科学基金面上项目“土壤重金属和硫分子形态转化的功能微生物 作用机制”( 4 0 6 0 1 0 8 6 ) 国家留学基金委“关于国家建设高水平大学公派研究生项目”( 2 0 0 9 2 0 1 0 年) 对本论文的资助! 浙江大学博士学位论文 致谢 衷心感谢思师陈英旭教授，在过去五年博士生涯中给予我的悉心教导、殷 切鼓励和无限支持。恩师高瞻远瞩、严谨治学、勤奋敬业、坚忍不拔、精益求 精、以身作则的品质作为精神食粮时刻滋养着我，令我刻骨铭心，指导我在科 研和人生道路上忠于业、敏于思、慎于言、勤于行。感谢恩师鼓励我自由探索 感兴趣的科学问题，锻炼我在项目执行与结题、课题组实验室管理等方面的工 作能力、支持我参加国内外各种学术会议，给我出国留学深造的机会，让我从 心浮气躁、思维狭隘的阶段迈进了具有独立科研思想、脚踏实地并敢于探索的 人生新阶段。 衷心感谢合作导师加拿大皇家科学院院士；u n i v e r s i t y - o fs a s k a c h e w a n 物理 与工程物理系教授j o h ns t s e 。是他宽广的胸襟与仁爱的情怀，使我这样一个 从事环境学研究的博士生能有幸师从于他。难以忘记每次问问题时，他在办公 室黑板前耐心授业解惑的场景；难以忘记在加拿大光源第一次x a f s 实验时， 他在繁忙的出差期间不忘给我的电话指导；难以忘记在新年前夜他亲手给我们 准备的t u r k e y 留学期间，他敏锐的科研思维、扎实的理论功底、一丝不苟 的态度、勤奋踏实的精神潜移默化的影响着我，让我终身受益，此生难忘。 衷心感谢合作导师浙江大学环境与资源学院施积炎副教授在我入学以来在 论文选题、实验设计、论文撰写以及生活等方方面面的指导、鼓励与帮助。一 直以来，他在同步辐射实验方面给予我的细心指导和大力支持，在我出国留学 方面的理解和无私帮助，以及为我们提供的相对宽松的科研环境，都让我心存 感激。 课题组沈超峰副教授、陈新才副教授、林琦副教授、于明革老师等在论文 撰写、实验开展上给予了宝贵的意见和建议，我在此表示最诚挚的谢意! 同 时，非常感谢在实验过程中给予我无私帮助的段壮芹、胡少平、李峰、豆长 明、徐劫、武贝、吕豪豪、崔昕意、钱轶超、林惠荣、傅晓萍、申开丽、陈光 村、唐先进、曹媛媛、孙营军、王成贤、刘磊、陈蕾、龙冬艳、李航、杨远 强、李伟、段德超、栾静、余昱葳、朱神海、彭程、吴一鸣、n a v e e d u l l a h 等老 师和同学们! 感谢加拿大光源( c l s ) b e a m l i n es c i e n t i s tt o mr e g i e r 在论文设计及实验开 展中的认真指导和帮助；感谢b e a m l m es c i e n t i s ty o n g f e n gh u , n i n gc h e n , j i a n 浙江大学博士学位论文 w a n g 以及工作人员j a m e sj d y n e s ，d a v i dc h e v r i e r ，q u n f e n gx i a o ，w e i f e n g c h e l a ，y i n g s h e nl u ，j e f fc u l t e r 等在同步辐射实验中的热心帮助；感谢北京同 步辐射国家实验室( b s r f ) 胡天斗、崔明启、谢亚宁、赵屹东、陈栋梁、郑 雷、马陈燕、张静、徐伟、刘利娟等以及上海光源( s s r f ) 黄字营、姜政、张 硕、杨科、汪丽华等老师和同学在同步辐射实验中的指导和帮助。 、 感谢u n i v e r s i t yo fw e s t e r no n t a r i o 教授t k s h a m ，u n i v e r s i t yo f s a s k a c h e w a n 土壤系副教授d e r e kp e a k ，c o m e l lu n i v e r s i t y 土壤系教授m u r r a yb m c b r i d e 和菲律宾国际水稻研究所t u o n g t 博士在实验与文章撰写过程中给予 的热心帮助! 感谢a g r i c u l t u r ea n dh g n - f o o dc a n a d a 科学家b a r b a r ac a d e - m e n u n ，u n i v e r s i t y o f s a s k a c h e w a n 地质系教授y u a n h u a n gp a n ，物理与工程物理 系杨健君博士、地质系m a o m a o 博士以及上海交通大学物理系杨军博士、中科 院物理所石应波博士、浙江大学材料系吴昱博士等在我留学期间科研方面的无 私帮助j - 感谢加拿大光源d a n i e lb o d r u g ，贵州大学动物学系陈祥盛教授，苏州 大学基础医学系谢字锋副教授等在我留学期间生活上的关心和帮助。 浙江大学环境与资源学院吴伟祥、徐建明、徐向阳、郑平、梁新强、王飞 儿、楼丽萍、李文红、张志剑、朱优峰、钱秀萍、王美青、丁晓梅、任馨以及 浙江大学材料系蒋建中、王小东等老师在我生活和学 - - j 过程中给予了无私的帮 助，在此表示衷心感谢! 感谢杨尚源、梁志伟、石德智、王云龙、丁颖、李 华、韩志英、陈文然、张娴、吴松维、刘玉学、陈重军及所有环保楼老师、兄 弟姐妹对我的关心和帮助，我们一起度过了一段难忘的美好时光! 祝你们身体 健康，事业有成! 感谢我的父母、岳父母和家人一直以来默默无闻的理解、关爱和支持。 特别感谢我的爱妻刘瑾! 充实紧张的博士生涯中与她相识、相知、相守到 相许，无时无处不充满着她的包容、理解、支持和爱惜；她总是我文章的第一 个读者，细心地给我逐字修改；是我试验的第一帮手，不知疲惫地伴我到深 夜；是我生活的第一守护者，在冰天雪地的萨大留学时期嘘寒问暖是她让 我平淡枯燥的博士生活倍增快乐与暖意，让我能够时刻笑对困难、积极进取。 在此，谨以此篇博士论文献给所有关心、支持我的人! 杨建军 二零一一年七月于华家池畔 浙江大学博士论文 第一章引言 1 1 土壤重金属污染及重金属形态研究 土壤( g e o d e r m a ) 被誉为地球的“皮肤”，是陆地生态系统的中心组成部 分；土壤作为地球生命的支撑物质，具有多孔结构及生物活性，是一个具有复 杂生物地球化学界面过程的反应器( h u a n ga n dg e r m i d a2 0 0 2 ) 。重金属元素因具 有良好的物理化学特性，在工农业生产生活中广泛应用，从而导致重金属的环 境污染。土壤是重金属的主要吸纳体，9 0 l ? j , 上的重金属主要赋存于土壤，远 远高出水体、大气等所含的重金属( h u a n ga n do e r m i d a2 0 0 2 ) 。土壤重金属污染 及其引起的生态环境风险、农产品质量安全及人体健康问题已成为当今社会关 注的热点之一( 赵其国2 0 0 1 ；陈英旭2 0 0 8 ) 。据报道，目前我国受镉、砷、铬、 铅等重金属污染的耕地面积近2 0 0 0 万h m 2 ，约占总耕地面积的1 5 ；其中工业 “三废”污染耕地1 0 0 0 万h m 2 ，污水灌溉的农田面积已达3 3 0 多万h m 2 ；全国每 年就因重金属污染而减少粮食生产1 0 0 0 多万吨，并且每年被重金属污染的粮食 也高达1 2 0 0 万吨( 赵其国等2 0 0 7 ) 。因此开展土壤重金属生态环境风险评估以及 重金属污染土壤的污染防治具有重要的现实意义。 随着研究深入，人们已逐渐认识到，重金属的环境风险除了与其总量有关 外，更大程度上取决于其在环境介质中的形态和分布，因为土壤重金属的分布 和形态决定了重金属在环境中可能的迁移和转化行为、潜在毒性和生物可给 性。因此，从重金属赋存形态出发研究土壤重金属移动性、生物可给性是有效 评价重金属污染土壤环境风险的关键。据报道，美国、澳大利亚等环保部门已 经将土壤重金属形态纳入到土壤重金属的环境风险评估( f a i r b r o t h e re ta 1 2 0 0 7 ) 。 此外，工业革命之后全球经济的快速发展已经导致全球大面积的土壤重金属污 染；我国经过改革开放近3 0 年的发展，国民经济社会取得了长足的进步，同时 也造成了许多经济发达地区土壤重金属污染，并呈扩大趋势。土壤重金属污染 的持久性、生物不可降解性等特点，被喻为“定时炸弹”，对污染区生态环境和 居民健康构成巨大的潜在威胁，因此重金属污染土壤治理迫在眉睫。重金属污 染土壤治理技术中，客土、固定、淋滤等工程手段成本高，难以进行大面积推 广应用( d de ta 1 2 0 0 9 ) 。植物修复技术利用植物吸收，植物固定，植物过滤及 1 浙江大学博士论文 植物挥发等技术来原位修复重金属污染场地，成本低且环境友好，受到国内外 的广泛关：；：i ：( m a r q u e se ta 1 2 0 0 9 ) 。而该技术的修复效率主要取决于植物根系对目 标重金属的吸收能力以及土壤重金属的形态及其生物可给性，即重金属在植物 土壤系统的迁移转化能力。一般而言，污染土壤中重金属生物可给态含量远远 低于植物的吸收能力，因此土壤重金属形态及其生物可给性是植物修复技术的 主要限制因素，所以研究重金属在植物根际的形态转化及其生物可给性对于提 高重金属污染土壤的植物修复具有重要应用价值，对于调控重金属在农作物根 际的形态转化及防止农产品重金属污染也具有一定参考意义。 1 1 1 土壤重金属形态定义 土壤重金属形态研究最早起源于化学形态的研究。化学形态最早于1 9 0 1 年 由u r e ( 1 9 9 1 ) 定义为鉴定和定量表征目标元素在物质体内不同种类、形式或相态 的求证过程，或描述目标元素在物质体内不同种类、形式或相态及其数量。化 学形态分为三大类，一是传统的化学形态，指含有目标元素的具体化合物及目 标元素的氧化态，如羟基磷灰石以及三价铬和五价铬；二是功能化学态，指反 映目标元素所具有的功能或行为，一般以特征性的词汇来定义，如植物有效 态，可移动态等；三是操作上定义的形态，指利用提取样品的化学试剂来定 义，如乙酸盐可溶态，中等可还原态等( u r e1 9 9 1 ) 。 土壤作为一个由不同土壤矿物，有机质以及土壤微生物等组成的多相体 系，是重金属主要的汇。土壤矿物、有机质以及土壤微生物的共同作用导致土 壤中富含短程有序的金属氧化物( 铁氧化物和锰氧化物等) 、腐殖质以及矿物胶 体与腐殖质的复合物；这些组分与重金属通过吸附解吸、络合螯合、溶解沉 淀、氧化还原等作用，与土壤铁氧化物、锰氧化物、腐殖质以及各种矿物等结 合( h u a n ga n dg e r m i d a2 0 0 2 ) 。因此，土壤重金属形态复杂多样，在实际环境中 很难存在纯化合物，因而主要以功能化学态和操作上定义的形态来加以表征。 例如，植物能够吸收利用的土壤重金属称为植物有效态重金属，以离子态，溶 解性有机质络合态以及酸溶态为主。一般而言，土壤重金属的功能化学态包括 重金属的多种化学形态，不仅难以区分该功能化学态中所含的各形态重金属， 还无法表征不同矿物结合态重金属，推断其他结合态重金属向功能性化学态转 化的潜能，难以对土壤重金属的长期环境化学行为加以评估。然而操作上定义 2 浙江大学博士论文 的重金属形态可在一定程度上反映重金属与土壤不同固相组分的结合形态，并 可用于评估土壤重金属潜在的移动性和生物可给性，因此在环境学领域得到广 泛应用。操作上定义的化学形态主要包括一步提取法和顺序提取法所定义的化 学形态，即利用具有特殊化学性质的提取剂来分离土壤中不同结合态的重金 属，在化学水平上表征土壤重金属形态和评估土壤重金属潜在的生物可给性。 例如，利用e d t a 和d p t a 溶液按照一定土水比来表征有机结合态重金属形 态，利用氯化钙溶液按照一定土水比来表征水溶态和可交换性态重金属，以及 利用乙酸钠乙酸缓冲液来表征碳酸盐结合态重金属等。一般而言，土壤重金属 操作上定义的形态主要包括可交换态、碳酸盐结合态、易还原态( 锰氧化物结 合态) 、有机结合态、无形态铁结合态、晶体铁结合态以及残渣态( 硅铝酸盐结 合态) 重金属，并且重金属的移动性和生物可给性依次降低( f i l g u e i r a se ta 1 2 0 0 2 ) 。随着研究的深入，人们发现土壤重金属的生物可给性和生物毒性最终决 定于重金属的微观分子形态，例如六价铬主要与氧形成四配位的四面体结构， 移动性和生物可给性强，并具有致癌性；而三价铬主要与氧形成六配位的八面 体结构，移动性和生物可给性远远低于六价铬，并无致癌性( b r o w ne ta 1 1 9 9 9 ) 。土壤重金属的分子形态主要包括目标金属的价态、配位原子类型及其键 长以及空间结构，有效表征土壤重金属的微观分子形态是当前重金属形态研究 的前沿方向之一( b r o w ne ta 1 1 9 9 9 ；m a n c e a ue ta 1 2 0 0 2 ) 。 1 1 2 土壤重金属形态与生物可给性 “生物可给性”，也称为生物有效性( b i o a v a i l a b i l i t y ) ，这个概念最初主要应 用于毒理学和农业科学领域，随着环境科学的发展而日益受到环境科学家的青 睐，尤其是在农产品安全保障、污染物的环境风险评价和污染场地修复方面具 有重要作用( e l d e r se ta 1 2 0 0 3 ) 。不同学科对生物可给性的定义和理解有所不 同。欧洲化学毒理及生态毒物学中心及美国国家研究委员会对生物可给性定义 均提出了不同的看法，主要包括以下内容：有害物质被生物体吸收的速率和程 度；有害物质对生物体的潜在危害效应；完全被生物吸收的部分；然而对环境 学者而言，生物可给性往往指土壤吸附的污染物质被生物吸收利用或产生毒害 效应的可给性( 陈英旭2 0 0 8 ) 。r e e d e r 等( 2 0 0 6 ) 提出对于污染物的生物可给性的界 定还应考虑时间效应。一般而言，生物可给性是指土壤中重金属和疏水性有机 3 浙江大学博士论文 污染物被生物体吸收的部分，主要由以下两个因素决定生物可给性的量：i 化学 物质从土壤向活体细胞转移的速率( 传质过程) ；i i 吸收和代谢的速率( 细胞的 本质特征) ( 戴树桂2 0 0 5 ) 。鉴于“生物可给性”在环境管理中的重要应用，美国 研究顾问委员会( u sn a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ，u s n r c ) 于2 0 0 3 年在关于“土 壤和沉积物中污染物的生物可给性：过程、工具和应用”报告中对“生物可给性 过程”进行了界定。该报告中指出污染物对生物体的作用过程可概括为：( a ) 土壤或沉积物固相结合态污染物的释放；( b ) 溶解态污染物向生物体的迁移； ( c ) 颗粒态污染物向生物体的迁移；( d ) 污染物在生物膜表面的跨膜过程； ( e ) 污染物在生物体内对靶器官的致毒过程。其中“生物可给性过程”由a 、 b 、c 、d4 个过程组成，由于过程e 与基本上与土壤和沉积物无关，所以被排 除与生物可给性过程之夕b ( e h l e r se ta 1 2 0 0 3 ；戴树桂2 0 0 5 ) ( 见图1 1 ) 。 图1 - 1 生物可给性过程( e h l e r se ta 1 2 0 0 3 ；戴树桂2 0 0 5 ) f i g 1 - 1t h ei l l u s t r a t i o no fp r o c e s so nt h eb i o a v a i l a b i l i t y 土壤重金属的生物可给性主要决定于土壤重金属总量及其化学形态 ( f i l g u e i r a se ta 1 2 0