土壤铜硒复合污染对其生物有效性的影响及其机制研究

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随着工农业生产的发展,土壤重金属复合污染的问题日趋严重,两种共存的金属所发生的吸附解吸、沉淀作用等化学过程均会影响其生物有效性,如何表征重金属的生物有效性一直是环境化学研究的热点。本文采用土培盆栽试验和室内分析相结合的方法,从作物生长、金属吸收量、重金属与土壤的结合度、土壤酶活性变化等方面探讨了不同浓度铜、硒单一和复合污染对两种金属生物有效性的影响;并结合铜、硒在土壤中吸附解吸过程的研究,初步提出了表征铜硒生物有效性的指标。得到以下主要结果:1.适量的硒(2.5mg·kg-1)促进小白菜生长,表现为小白菜叶片叶绿素含量(SPAD)、根长、地下和地上生物量增加;但高含量硒(≥10.0mg·kg-1)却抑制小白菜的生长。外源铜单一污染或铜硒复合污染均能显著抑制小白菜生长,且小白菜叶片的SPAD值、根长、茎长、地下和地上生物量均与外源铜含量呈显著负相关(P<0.05)。相同铜含量水平下,小白菜地上部铜含量随外源硒含量的升高而增加,而地下部铜含量则以Se含量10mg·kg-1时为最高;硒含量一定时,小白菜地上、地下部硒含量随外源铜含量升高呈现先升高后降低的趋势,在Cu含量200mg·kg-1时达到最高。适量的硒(2.5mg·kg-1)与铜之间存在拮抗作用,而当外源硒含量高于10.0mg·kg-1时,硒与铜间呈现协同毒害作用。硒能促进小白菜根系对铜的转运,而高含量铜胁迫则使更多的硒滞留于小白菜根部。2.未污染土壤中,Cu主要以残渣态存在,Se主要以有机结合态和残渣态存在。在外源Cu、Se污染土壤中,播种前(14d),外源Cu主要以铁锰氧化物结合态存在,Se主要以可交换态及碳酸盐结合态存在;而收获后土壤中的Cu向有机结合态转化,Se向铁锰氧化物结合态转化。外源Cu与土壤结合程度(IR值)随外源Cu和Se浓度升高而逐渐降低;而Se与土壤结合程度(IR值)与外源Cu浓度无关,随外源Se浓度升高而下降。S型曲线拟合方程表明,适量的Se(≤10mg·kg-1)可以促进小白菜对Cu的吸收,同样适量的Cu(≤400mg·kg-1)能促进小白菜对Se的吸收。小白菜体内Cu、Se含量与土壤的Cu、Se的IR值呈显著负相关(P<0.05),与小白菜种植前后土壤中可交换态和有机结合态铜和硒的变化量呈正显著相关(P<0.05)。3.铜硒单一及复合污染均不同程度的抑制了供试四种土壤酶活性,其抑制顺序为:硝酸还原酶>脲酶>过氧化氢酶>碱性磷酸酶。与无作物对照相比,种植作物在一定程度上刺激了土壤酶活性。铜硒复合污染对过氧化氢酶表现为低浓度协同、高浓度拮抗作用,而脲酶则与此相反;硝酸还原酶则表现为协同毒害作用。脲酶和硝酸还原酶活性的最大半数效应值(EC50)更低,说明这两种酶对铜硒复合污染较为敏感。4.对比种植前和收获后的土壤脲酶和硝酸还原酶活性发现,收获后土壤酶活性要略低于种植前土壤酶的活性,但二者均有随外源铜、硒浓度升高而降低的趋势。种植前后土壤IR值的变化量与土壤酶活性间显著相关。路径分析表明,土壤可交换态Cu和有机结合态Se对脲酶和硝酸还原酶活性大小有直接效应,再次印证了这两种酶生物有效性较高。5.铜和硒在三种土壤上的吸附-解吸曲线规律一致,黑土和塿土对铜的吸附能力较强,而塿土对硒的吸附能力较弱;Langmuir模型更适用于土壤铜和硒的吸附。吸附顺序会影响土壤对铜、硒的吸附量:先吸附铜后吸附硒条件下,铜能抑制土壤硒的吸附;而先吸附硒后吸附铜时,硒对土壤铜的吸附表现低浓度促进、高浓度抑制。铜硒共同吸附时,硒能够促进铜的吸附,而高浓度的铜却抑制了硒的吸附。6.土壤铜硒复合污染对小白菜的株高、根长、生物量、SPAD值、土壤脲酶、硝酸还原酶的活性均有显著抑制作用;土壤重金属的IR值和作物生长中土壤重金属形态的改变量均可表征其生物有效性。
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