微生物成矿技术在环境砷污染治理中的应用研究进展

近年来,微生物成矿技术成为环境污染治理领域研究热点之一。结合典型矿化菌与砷的成矿关联规律对微生物成矿作用固定砷的机制及环境污染治理中的应用进行归纳:(1)环境中的碳酸盐矿化菌、铁锰氧化菌及硫酸盐还原菌可通过诱导成矿的方式,直接促进含砷矿物的形成或生成其他矿物间接吸附砷,通过对砷的成矿产物和成矿因素分析,揭示微生物成矿机理、特征及形成条件;(2)总结了国内外应用微生物成矿技术处理水体和土壤中砷污染的研究,利用微生物成矿技术可降低水体及土壤中溶解性或可提取态砷浓度、减少砷的生物可利用性;(3)微生物对重金属的成矿作用受环境因素影响,环境中砷的初始浓度、共存金属离子、pH、温度、营养盐浓度等均会影响微生物成矿的效率。加强微生物成矿过程微界面反应机制研究,并筛选重金属耐性和成矿能力强的微生物以提高成矿效率,同时研究成矿作用固定的砷在环境中的溶出和迁移规律进而减少矿物中砷的再次溶出,将成为未来该领域的重点研究方向之一。     

土壤-水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施

砷(As)作为危害人类健康的污染物之一,对粮食安全和人类健康的威胁已引起全世界的广泛关注。水稻对砷具有较强的富集能力,目前对土壤中砷的有效性、水稻对砷的吸收、水稻内砷的运转及影响因素等方面进行了广泛深入的研究。在总结目前研究成果的基础上,从土壤砷有效性和水稻砷吸收两个方面,讨论了土壤质地、有机质、灌溉方式、土壤微生物、根际环境、施肥种类、水稻品种及复合污染对土壤-水稻系统中砷迁移转化的影响因素及其机制,并从灌溉方式、施肥种类和方式及基因工程等方面进一步讨论了降低水稻砷吸收和积累的措施。根据目前研究中出现的问题和不足,对未来尚需要进一步深入的研究提出自己的建议和展望。     

土壤——水环境中二苯砷酸污染及其修复研究进展

化学武器残留的二苯砷酸(Diphenylarsinic acid,DPAA)引起的土壤—水环境砷污染事件近年来受到广泛关注。国内外学者对土壤—水环境中DPAA的分析方法、污染状况、迁移转化和修复技术等的研究已取得一定进展。鉴于DPAA污染问题的严峻性和污染修复的迫切性,本文通过系统调研并结合笔者的研究工作,综述了土壤-水环境中DPAA分析方法、来源及污染状况的研究进展,探讨了DPAA吸附/解吸、迁移、转化过程及其关键影响因素和作用机制,阐述了对其污染的物理/化学、生物学修复机理研究;认为建立DPAA污染数据库,开展宏观及微观尺度上DPAA环境行为特征的研究,并系统构建DPAA污染的修复技术方法体系将是该领域今后研究的重点。同时,展望了未来的研究方向,旨在为促进土壤-水环境中DPAA污染及其修复的深入研究、有效降低DPAA的环境健康风险提供理论参考。     

水稻土中砷的环境化学行为及铁对砷形态影响研究进展

在水淹缺氧环境下,界面微环境中水稻土铁矿物的还原以及根表铁膜的生成是引起砷释放还原和促进砷被吸附的过程,识别铁对砷的作用机制是有效降低水稻对土壤砷吸收的方法。本文综述了水稻土中铁对砷的作用机制的国内外研究现状,并从水稻通气组织、土壤溶液氧化还原电位、铁矿物类型、有机质和阴离子种类等5个方面讨论水稻土中铁对砷的化学行为的影响,并展望了今后的研究方向,以期为水稻土砷污染防治及抑制水稻对砷的吸收提供参考。     

砷在土壤-农作物系统迁移的影响因素研究进展

阻隔农作物从土壤中吸收砷对保障农产品质量安全及人体健康具有重要意义。影响农作物从土壤中吸收砷的因素较多,主要有气候条件、土壤条件(土壤pH值、水分含量、氧化还原电势、有机质、砷本底值、复合污染、微生物、土壤类型以及根际环境)、农艺措施(灌溉、施肥、施用外源激素和钝化剂、更改种植模式等)及其他因素等,本文对影响砷在土壤–农作物系统迁移的上述诸多因素及其机理的相关研究进行了梳理和总结,旨在为因地制宜减少农作物砷污染、确保农产品质量安全提供参考。     

基于in vitro试验的中国典型土壤中砷的健康风险及影响因素

采集中国红壤、黑土、褐土、棕壤和黄壤五种典型土壤,经一个月老化制备成浓度为600 mg·kg–1的砷污染土壤样品,利用体外（in vitro）试验方法（PBET-UF模型）研究经口部摄入的土壤砷在人体胃肠道的生物可给性/生物有效性,并评估其健康风险,进而从土壤性质角度（包括土壤基本理化特性及砷的赋存形态）综合地探讨砷的生物可给性/生物有效性的影响因素,以分析不同土壤间差异的原因。结果表明,土壤砷在胃阶段的生物可给性为37.2%～71.8%,小肠阶段的生物可给性为49.0%～73.3%,小肠阶段的生物有效性为48.6%～72.1%,各类型土壤间差异极显著;土壤砷从胃到小肠是一个逐步被消化溶出的过程,且小肠中溶解态砷均可透过模拟小肠上皮细胞的专用超滤膜;各类型土壤经口部摄入的砷健康风险存在极显著差异,致癌风险和非致癌风险分别超过相应可接受限值两个数量级和一个数量级;此外,土壤砷的生物可给性/生物有效性与土壤pH、游离氧化铁铝含量、迁移系数S及迁移系数W存在显著或极显著相关性,迁移系数S是影响土壤砷在胃阶段的生物可给性的主导因子,土壤pH为影响其在小肠阶段的生物可给性/生物有效性的主导因子,...     

微生物影响稻田土壤中砷转化研究进展

稻田砷污染是一个全球性环境问题。稻米是以大米为主食的人群砷暴露的主要途径，稻米砷含量超标，会对动物和人体健康造成威胁。微生物是影响砷环境生物化学行为的重要角色，在植物-土壤-微生物系统的砷循环中发挥着重要作用。了解微生物对砷在土壤-水稻系统中的生物化学循环的影响，能够为稻田砷污染的有效治理提供理论基础。本文综述了砷氧化微生物、砷还原微生物以及砷甲基化微生物分别对砷氧化、还原和甲基化过程的影响（直接作用），并总结了微生物通过间接影响铁、硫的环境生物化学循环，进而影响稻田-水稻系统中砷的赋存形态及其转化与迁移的过程。最后，本文归纳了砷污染农田微生物修复技术的相关研究进展，并提出了研究展望。     

土壤中砷的生物转化及砷与抗生素抗性的关联

砷是一种广泛存在于自然环境中毒性较强的类金属元素,农田生态系统中的植物(尤其水稻)很容易吸收积累土壤环境中的砷。植物中的砷沿食物链向高等动物传递,威胁人类健康。除土壤本身的理化性质外,土壤中砷的生物转化也强烈影响砷的生物有效性。目前研究发现异化砷酸盐(As(V))呼吸性还原、细胞质As(V)还原、亚砷酸盐(As(III))氧化、As(III)甲基化和有机砷的去甲基化在土壤砷的生物地球化学过程中起重要作用。随着分析化学和分子生物学技术的进步,最新研究发现土壤生物也参与了砷糖、砷糖磷脂、砷甜菜碱、砷代草丁膦、硫代砷等有机砷的合成,其中三价一甲基砷和砷代草丁膦可作为新型抗生素,但其合成机制及生态学功能有待进一步研究。本文还详细介绍了为适应复合污染环境微生物通过自身的进化对抗生素和重金属形成的四种共选择抗性机制:共抗性,交叉抗性、共调控和生物膜感应,特别提出了土壤中砷污染与抗生素抗性相关联这一新的研究方向。最后对砷生物转化和砷与抗生素共抗机制的未来研究方向做了展望。     

新疆奎屯123团土壤砷污染研究

土壤砷污染是一种十分严重的环境问题。80年代初,新疆奎屯垦区发现了中国大陆第一个地方性砷中毒病区。本文主要以奎屯123团为研究区域,通过对该地区土壤中砷含量的测定,分析该地区土壤中砷的污染状况,砷的主要来源,探讨砷在土壤中的分布特征。结果表明奎屯123团0~20 cm土壤中砷的含量范围在8.36~39.63mg kg-1,算术平均值为16.67mg kg-1,高于全国的平均水平。土壤中砷的来源主要受自然因素的影响,同时也受到高砷地下水灌溉以及含砷农药、化肥等诸多人为因素的影响,砷在该地区土壤中的垂直变化没有呈现出统一的规律。     

生物炭对复合污染土壤—作物中镉砷累积和转运的影响

针对镉砷复合污染土壤中小麦籽粒重金属积累问题,采用生物模拟方法,以镉砷复合污染区土壤为研究对象,探究杏核生物炭(C1和C2分别表示3%和6%生物炭添加量)对复合污染土壤—小麦/玉米系统中镉砷累积和转运的影响。结果表明:添加生物炭(C1、C2)显著降低了小麦季根际/非根际土壤Cd、As有效性,并且小麦籽粒中Cd、As含量分别比CK平均降低19.25%和50.70%,但前者差异不显著。对玉米而言,生物炭C1、C2处理显著降低穗中Cd和As含量,降幅分别为85.67%,61.28%和98.36%,96.48%;此外,施用生物炭显著降低了小麦—玉米体系中镉砷的转运和累积,但对小麦镉由秸秆向籽粒转运及籽粒中镉累积的影响未达显著水平。总之,添加3%生物炭可降低小麦籽粒和玉米穗中镉、砷含量,且对玉米穗中重金属镉、砷降低效果更明显,综合分析生物炭对镉、砷在复合污染石灰性土壤—小麦/玉米体系中迁移和累积的阻控效应,推荐施用3%生物炭为宜。     

土壤矿物质吸附砷的研究进展

砷是一种有毒的重金属元素,由于自然和人为的原因,世界上的许多国家存在砷污染问题,因此有关砷污染的研究与控制日益受到人们的关注。本文介绍了土壤砷污染的产生原因及污染状况,重点集中在探讨土壤中的各种矿物质对砷吸附行为的作用机理。这些矿物质包括铁铝氧化物和氢氧化物、锰氧化物、黏土矿物和碳酸盐类。关于砷在各类矿物质上的吸附机理,普遍接受的观点认为:砷氧阴离子与矿物质的表面发生了配位体交换过程并通过共价键的作用,形成了表面配位体。表面配位体以内层双齿双核鳌合形式为主,受矿物质的种类、pH值和氧化还原电位等因素的影响,外层吸附和其他鳌合状态可能存在。砷在土壤矿物质上的吸附效果强烈依赖于体系的pH值,这与吸附的理论模型和数学计算结果相一致。矿物质的种类、组成、结晶状态和表面积等影响了砷的吸附过程和吸附效果。土壤中存在的各种阴阳离子通过与砷阴离子竞争吸附位而影响砷在矿物质上的吸附。     

水淹条件下水稻土中砷的生物化学行为研究进展

水稻土中砷的氧化还原和甲基化等生物化学过程是影响水稻砷毒性的主要作用机制;同时,水淹厌氧条件是驱动水稻土中砷的生物化学过程关键环节,且是导致水稻对砷大量吸收累积的主要原因,对以水稻为主食的人们造成健康威胁。本文综述了水稻土中砷的氧化还原和甲基化现象、砷的生物化学作用机制以及影响水稻土砷迁移转化的关键因素,并探讨了水淹厌氧条件对水稻土砷代谢微生物群落、微生物基因表达水平以及对砷归趋的影响。最后,展望了未来的研究方向,以期识别不同水管理模式下土壤微环境对水稻土中砷代谢微生物群落结构与基因表达水平的影响机制,为深入理解砷的生物化学行为和降低水稻对砷的吸收累积提供科学的理论参考。     

Hydrochemical and Sediment Biomarker Evidence of the Impact of Organic Matter Biodegradation on Arsenic Mobilization in Shallow Aquifers of Datong Basin,China

Biomarker and hydrochemical characteristics of geogenic arsenic-contaminated aquifers at Datong Basin, northern China, were analyzed to better understand the impact of organic matter (OM) biodegradation on arsenic enrichment in groundwater. The hydrochemical characteristics of high arsenic groundwater from the Datong Basin indicate that arsenic mobilization and iron and manganese oxide/hydroxide reduction were controlled by biodegradation of OM. The elevated value of alkalinity produced by microbial oxidation of OM is another important factor for arsenic mobilization via competitive sorption. Bulk geochemistry of the sediments shows that arsenic has close correlation with iron and manganese, indicating iron- and manganese-bearing minerals could be the major pools for arsenic. Results of biomarker analysis reveal that all the sediments contained natural petroleum-sourced hydrocarbons which may have undergone biodegradation, as suggested by the carbon preference index, C₂₉ sterane, and the distribution pattern of hopanes. The presence of unresolved complex mixtures in all samples also indicates the natural petroleum origin of hydrocarbons and the effect of biodegradation. At some depths (5.4–11.8, 31–33.2, and 40–48.4 m below the land surface), the samples have low n-alkane content and no odd-over-even predominance, suggesting that indigenous microbes within the aquifer can preferentially remove the petroleum-sourced n-alkanes. The bioavailability of organic carbon is very important to promote the microbially mediated reductive dissolution of iron oxides/hydroxides and subsequent arsenic release from aquifer sediment into groundwater.     

pH和磷的交互作用对稳定化土壤砷释放的影响

以3种含Fe材料稳定化土壤(FeSO_4、FeS和Fe~0稳定化土壤)为研究对象,研究了不同pH和P的交互作用对As释放量的影响及其作用机理。结果表明,在pH=3条件下,随着时间的延长能够促进释放的As重新趋于稳定化,而pH=11时3种稳定化土壤中As的释放量显著增加,144 h后分别约为pH=3时的10.5、16和10倍。添加P时,在3种pH条件下都促进了稳定化土壤中As的释放,尤其在酸性条件下,相对于无P体系As的释放量增加最为明显。FeSO_4稳定化土壤中As的释放特征能用Elovich方程较好地描述,而双常数方程拟合FeS和Fe~0稳定化土壤效果更优。在pH=3条件下,3种稳定化土壤中As的释放量与Ca、Mg、Mn的溶出量呈(极)显著相关,而pH=11时FeSO_4和FeS稳定化土壤中As的释放量与SO_4~(2–)的溶出量呈(极)显著相关,表明在酸性条件下,稳定化土壤As的释放主要受Ca、Mg、Mn氧化物结合态As溶解的影响,而碱性条件下,FeSO_4和FeS稳定化土壤中As的释放可能与硫化物的溶解有关。     

有色金属冶炼厂周边砷镉复合污染土壤的钝化材料研究

为筛选出适宜有色金属冶炼厂周边砷镉污染土壤的复合钝化材料,通过模拟试验,研究2,4,6-三巯基均三嗪三钠(TMT)、铁盐、黏土矿物、铝基材料等材料钝化土壤Cd和As的最优复配配方。结果显示,相同实验条件下,添加C1、C2、C3三种钝化材料后,有色金属冶炼厂周边土壤酸浸出溶液中砷、镉浓度均符合了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅳ类环境质量标准。随着时间的推移,添加1.0%的C3材料(铁盐+铝基材料+ TMT)钝化重金属砷镉效果最好。其中,砷酸浸提态含量降低率最高达到了96.95%,镉酸浸提态含量降低率最高达到了99.37%。通过形态分析可以看出C3钝化材料能使重金属砷镉的形态从可交换态、铁锰氧化物结合态慢慢向残渣态的形态转移,起到了同时钝化 As、Cd 的效果,降低了砷镉重金属的迁移能力,减少冶炼厂周边砷镉重金属污染环境风险。