Fe对稻田土壤重金属迁移转化影响机制及研究进展

我国是全球最大的水稻生产国和消费国,部分地区稻田土壤重金属污染严重,威胁粮食安全和人体健康。目前稻田土壤重金属复合污染是我国土壤污染治理的重点和难点。Fe在地壳中分布广泛,居元素分布序列的第四位,是土壤中的高活性元素,参与多种重金属的地球化学过程。文章针对Fe氧化物对重金属的作用机制、土壤中Fe的生物化学过程、稻田系统中Fe对重金属吸收转运的影响,以及Fe相关材料在重金属污染土壤修复中的应用等方面进行总结。结果显示：(1)土壤中Fe氧化物主要通过吸附/络合/沉淀作用固定重金属,或通过氧化还原作用降低重金属的毒性和有效性;(2)土壤环境的变化容易引起Fe氧化物的还原溶解/氧化沉淀,以及微生物介导的Fe(III)还原和Fe(II)氧化等过程;(3)稻田环境变化关系到土壤中Fe氧化物的形态转化、水稻根表铁膜的形成与成矿过程、水稻对Fe的吸收转运等,从而影响重金属在土壤-水稻中的运移;(4)Fe相关材料对土壤单一重金属污染修复效率高,但尚未在重金属复合污染土壤修复中大面积应用。同时,对我国当前Fe相关材料在稻田重金属复合污染修复应用中存在的问题进行思考,对今后的研究方向进行展望,以期为稻田重金...     

土壤中微塑料与环境污染物的复合作用及其对微生物的影响

随着塑料制品在工农业和生产生活中的广泛使用,大量微塑料被释放到土壤中,带来不可忽视的生态环境与健康风险。长久以来,人们更关注微塑料本身的生态毒性,对微塑料与环境中的其他化学污染物的联合作用及其环境效应研究较少。由于土壤微生物在微塑料降解过程中起着关键作用,认识土壤微塑料是如何通过影响土壤环境而直接或间接影响土壤中微生物群落和土壤生态功能的微观机理,已成为未来推进微塑料的降解和科学认识微塑料生态系统风险的关键。本文综述了近年来微塑料在土壤中吸附和迁移机理,以及微塑料的吸附程度和位置对其迁移行为的影响。总结了微塑料与土壤中有机污染物和重金属的复合作用的进展,探讨了这些复合作用对土壤环境风险的影响,包括污染物的毒性、生物利用度和迁移性的变化。评述了微塑料对土壤微生物群落的影响及作用机制,微塑料对微生物的物种丰富度、活性和结构的影响,以及微塑料表面的定殖和选择性富集能力。建议未来应该加强以下三方面的研究：(1)深入探索微塑料与环境污染物的复合作用及其生态毒理作用的微观机理;(2)认识土壤中微塑料对土壤微生物群落结构改变的微观机制;(3)探索通过科学调控土壤理化特性、特异性微生物在微塑料表面的定...     

天然有机质存在条件下的纳米颗粒与重金属协同行为研究

纳米颗粒与重金属元素相结合发生反应,可能产生一系列相互作用关系。这些作用过程是取决于多个环境条件共同作用的复杂过程,尤其是在土壤这种复杂的典型非均质环境介质中。这些作用关系可分为协同促进和拮抗抑制两大类关系。对于土壤中的重金属元素离子而言,纳米态粒子对其环境有效性究竟是协同促进还是拮抗抑制作用,关键取决于纳米粒子的表面修饰特性、二者间的界面反应以及反应后重金属元素的最终赋存状态这三个方面。协同促进或拮抗抑制作用与否则最终决定了这些污染重金属离子的生物可利用性和生态毒性响应。本文对近年来纳米颗粒-重金属共环境行为国内外研究现状进行综述讨论。纳米-重金属界面吸附解吸和土壤中迁移持留过程研究涉及多个热力学、动力学解析方法,科学家结合静态批实验和动态迁移实验等实验室模拟手段,对纳米颗粒、重金属离子、有机质三因子在土壤介质中的相互作用影响和共行为方式展开深入探讨。在重金属离子-纳米颗粒表面吸附机制、赋存形态以及重金属纳米吸附态土壤迁移固定机制研究中,多种定性表征方法的综合应用,如透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线吸收近边结构光谱/扩展X射线吸收精细结构光谱(XANES/EXAFS)等方法相结合,被公认是揭示这一系列过程机制的重要技术手段。针对不同土壤环境中有机质存在条件,正确评价纳米态物质对重金属的迁移性及生物可利用性的影响作用,将为纳米环境效应评估和纳米修复技术等相关应用提供重要的数据支持和机理依据。     

重金属在土壤中的分布、危害与治理技术研究进展

【研究目的 】镉、铬、铅、铜和锌等重金属是土壤中的典型有害元素。过量摄入会抑制生物体的生长发育。其在土壤中的分布受到原生地质背景成因和矿山开采、大气沉降、农药化肥施用等人类活动的共同影响。然而不同土地利用类型下的土壤重金属分布特征需要进一步识别,对于典型重金属的危害作用需要进行全面的梳理揭示。【研究方法 】通过查阅国内外的相关研究内容,整理典型重金属在土壤中的空间分布特征,总结土壤重金属对生物的影响作用,综述人体暴露在高重金属的土壤与地下水环境下的毒性作用及针对性修复方式。【研究结果 】受到原生地质背景和人类活动下土地利用类型的共同影响,造成土壤中重金属含量具有显著的空间变异性。重金属在土壤中的含量不同,会对土壤微生物与植物的生长发育产生不同效应的影响,并通过食物链进入人体累积。当重金属在人体中累积含量过高,会对人体的不同器官和系统产生破坏,威胁人体健康。【结论 】应该综合考虑污染方式、污染水平和暴露途径等因素进行针对性的重金属治理。     

生命活动中矿化作用的环境响应机制研究

生物矿化作用及其环境响应机制的研究,关键在于研究生命活动制约矿物形成、分解的机理及其环境响应机制,其内容主要包括生物矿化作用的机理、生物矿化作用的环境效应、生物矿化作用的调控理论和方法。可实现的研究目标是从多学科角度发展生物矿化作用的理论,阐明自然界中矿物－生物－重金属/POPs －水之间的相互作用机理与环境响应机制。有望揭示微生物控制重金属矿化的微观机制,提出微生物治理重金属污染原理;揭示半导体矿物－微生物协同作用降解POPs 机制,发展三元体系研究方法;揭示微生物促进多金属矿山硫化物分解机制,提出微生物分解矿物对生态环境影响的调控方法等。以促进地质生物学前沿交叉学科发展,形成未来环境污染防治重大新技术的科学基础。     

纳米材料在土壤重金属污染修复中的应用

重金属污染土壤的修复一直是国内外环境研究者关注的重点环境问题之一.近年来,纳米材料在土壤重金属污染修复中的应用也受到了越来越多的关注.综述了主要纳米材料及其改性材料修复土壤重金属的应用、纳米材料的组合技术应用以及影响纳米材料修复土壤重金属效果的主要因素,提出了今后该领域应重点加强研发新的纳米材料,同时提高其在土壤中的扩散能力,研究从室内实验到田间实验的应用;进一步深入探讨了纳米材料在土壤中的环境行为及相关机理等,以期充分理解并进一步推动纳米材料在土壤重金属污染修复中的应用.      

微生物对金属元素的浸出作用及其应用研究进展

文章简述了表生地质环境中的微生物对Au、Ag等贵金属元素和Cu、Pb、Cd、As、Hg等重金属元素的浸出作用及其在探矿、浸取选矿、土壤污染评价和修复、城市污泥和废水处理等方面的应用研究进展。指出：深入研究地质体中的微生物与金属元素的相互作用和机理，将是地球科学的重要研究动态之一。     

矿物光电子-微生物体系重金属离子价态调控及其环境效应研究进展

本文综述了典型污染区重金属离子赋存状态与环境风险评价、环境微生物多样性等环境质量因子的关系及其对土壤功能的影响;重点介绍了微生物源电子、半导体矿物光电子对重金属离子的价态调节双向控制;总结了电子穿梭体、空穴捕获剂等小分子有机物对光电子还原重金属离子的影响及机制,以及半导体矿物光电子、重金属价电子协同微生物对重金属离子的还原氧化效率与价态调控;分析了微生物及其表面基团对重金属离子的矿化与转化作用,以及微生物界面固定转化在土壤重金属污染修复中的作用。本综述可为进一步研究微生物和半导体矿物光电子协同作用对重金属离子的定向调节、电子转移途径、晶相转化机制提供指导,对深入探讨光-半导体矿物-重金属离子-微生物多相复杂体系的交互作用具有重要的环境学意义。     

冻结技术在水土重金属污染净化与修复中的应用及进展

随着工业化进程的加快,水土重金属污染事件逐渐增多,对其治理与修复成为当前的迫切工作。冻结技术在治理修复污染水土时,其修复过程只向地层输入“冷量”,属于绿色修复技术,无二次污染风险,受到越来越多的关注。详细总结了冻结技术的修复机理,及其在污水、污泥、重金属污染土壤治理修复中的应用现状和最新研究进展。冻结修复机理是通过冰的自净作用和固-液相平衡原理来实现污染物的定向驱赶和富集,而黏性土壤颗粒的吸附和阻滞作用使单一技术对重金属污染土壤的修复难度增大,其他修复手段与冻结技术联合处理成为一种新的思路。利用冻结土体的低渗透性,还可有效降低污染物的迁移速度,封闭不同种类污染物,形成阻隔污染物扩散的冻结屏障。冻结修复技术在水土重金属污染净化及修复领域具有良好的应用前景。     

土壤粘土矿物与微生物交互关系及其治理重金属污染的应用浅析

<正>粘土矿物和微生物是土壤固相最活跃的组分,直接影响土壤的性质与功能,同时微生物与粘土矿物会发生交互作用形成复合体,影响土壤重金属元素的迁移、转化及其在土壤环境中的生态效应。本文对土壤中微生物与粘土矿物的相互作用机制以及"粘土矿物-微生物"复合体对治     

Biotechnological advances in bioremediation of heavy metals contaminated ecosystems: an overview with special reference to phytoremediation

The ability of heavy metals bioaccumulation to cause toxicity in biological systems—human, animals, microorganisms and plants—is an important issue for environmental health and safety. Recent biotechnological approaches for bioremediation include biomineralization (mineral synthesis by living organisms or biomaterials), biosorption (dead microbial and renewable agricultural biomass), phytostabilization (immobilization in plant roots), hyperaccumulation (exceptional metal concentration in plant shoots), dendroremediation (growing trees in polluted soils), biostimulation (stimulating living microbial population), rhizoremediation (plant and microbe), mycoremediation (stimulating living fungi/mycelial ultrafiltration), cyanoremediation (stimulating algal mass for remediation) and genoremediation (stimulating gene for remediation process). The adequate restoration of the environment requires cooperation, integration and assimilation of such biotechnological advances along with traditional and ethical wisdom to unravel the mystery of nature in the emerging field of bioremediation. This review highlights better understanding of the problems associated with the toxicity of heavy metals to the contaminated ecosystems and their viable, sustainable and eco-friendly bioremediation technologies, especially the mechanisms of phytoremediation of heavy metals along with some case studies in India and abroad. However, the challenges (biosafety assessment and genetic pollution) involved in adopting the new initiatives for cleaning-up the heavy metals-contaminated ecosystems from both ecological and greener point of view must not be ignored.     

内蒙古包头某铁矿尾矿库生态修复的植物优选研究

【研究目的】植物修复技术因其具有绿色、经济、环保的特点,在矿山生态修复中应用广泛,而调查和筛选矿山周边适应本地生境的植物物种是进行植物生态修复的关键环节。【研究方法】通过野外调查取样和室内分析测试相结合的方法,对内蒙古包头某废弃铁矿尾矿库及周边11种优势植物的重金属含量、重金属迁移富集能力及其上覆土壤重金属特征进行分析研究,以期筛选优良修复植物,为矿区生态修复提供科学依据。【研究结果】该废弃铁矿尾矿库及周边土壤Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、F含量均远超过河套平原土壤背景值,地累积指数显示污染等级为2～7级,污染程度从轻—中度污染到极强度污染。植物地下部分各元素含量总体上高于地上部分,除Cu外各植物重金属含量大多超出了正常值范围。【结论】沙蒿和独行菜具有富集型植物特征,玉米、狗尾草、虎尾草和拂子茅属于根部囤积型,碱蓬、灰条菜、苍耳、新疆杨和红柳符合规避型植物特征。可根据植物对重金属的吸收和富集特点,科学合理地选择适宜的植物进行矿区受污染土壤植物修复。创新点：研究了废弃铁尾矿库及周边11种优势植物的重金属特征;揭示了优势植物对重金属的吸收机制。     

超富集植物与重金属相互作用机制及应用研究进展

社会发展过程中对矿产资源的勘查和开采利用所带来的重金属污染已对生态系统和人类健康造成严重威胁。超富集植物对重金属具有超富集、超耐受能力,是降低环境重金属污染、保障人类健康、实现绿色矿产勘查的有效途径,在植物修复、植物采矿和植物找矿中已获得了广泛应用。深入探索超富集植物的富集和耐受机制,揭示重金属-植物相互作用规律,提高植物对重金属的富集能力,是当前国际上研究热点。本文在简要介绍重金属对植物作用的基础上,阐述了重金属诱导氧化应激机制,重点关注重金属超富集植物富集机理研究,对其在解毒和耐受机制等领域的研究进展进行了评述。当前研究认为:(1)对超富集植物而言,根系分泌物与根际微生物的共同作用促进了重金属溶解,经共质体、质外体途径吸收后,重金属通过木质部向上转运,并隔离在液泡中,实现对重金属的超富集;(2)重金属通过与小分子有机酸、细胞壁、植物螯合肽结合,以及液泡隔离,可降低细胞质中游离金属离子浓度,增强植物耐受性;(3)重金属胁迫下,植物将激活多种特异性抗氧化酶,抵御氧化应激反应,实现对重金属的超耐受。(4)本文分析认为,植物中砷诱导的氧化应激反应机制可能是由砷的还原与甲基化过程及Haber-Weiss反应三部分构成。对重金属超富集植物的富集与耐受过程所涉及的生理与生化作用进行深入研究,揭示关键性影响因素与相关规律,寻找提升其特异性富集与指示能力的有效途径,将有助于超富集植物研究与应用向纵深发展。     

Comparative plant growth promoting traits and distribution of rhizobacteria associated with heavy metals in contaminated soils

The heavy metals at high concentration are generally toxic to the plants for their metabolism and growth; therefore, interactions among metals, rhizosphere microbes and plants have attracted attention because of the biotechnological potential of microorganisms for metal removal directly from contaminated soils or the possible transference of them to the plants. The aim of this study was to compare the relationships between the physiological in vitro characteristics of rhizobacteria isolated from plant metal accumulators and their distribution relating with the heavy metals content in contaminated soils. The results of this study showed that the heavy metals present in the rhizosphere of the plant species analyzed, decrease the microbial biomass and content of heavy metals caused a different distribution of rhizobacteria found. Gram negative rhizobacteria (90 %) and gram positive rhizobacteria (10 %) were isolated; all of them are metal-resistant rhizobacteria and 50 % of the isolated rhizobacteria possess both traits: higher indol acetic acid and siderophore producers. The inoculation with these rhizosphere microorganisms that possess metal-tolerating ability and plant growth promoting activities, can be recommended with a practical importance for both metal-contaminated environment and plant growth promotion.     

Accumulation and ecological effects of soil heavy metals in conventional and organic greenhouse vegetable production systems in Nanjing,China

The spatial variability of soil heavy metals in conventional and organic greenhouse vegetable production (CGVP and OGVP) systems can reveal the influence of different farming activities on their accumulation and plant uptake. This provides important basic data for soil utilization and pollution risk assessment. Based on horizontal and vertical spatial analysis, this paper presents the spatial variability and accumulation of soil heavy metals. The effects on plant uptake and factors influencing heavy metal accumulation are presented using the two typical greenhouse vegetable sites in Nanjing City, China as examples. Results showed that different greenhouse vegetable production systems had their own dominant heavy metal accumulation, specifically, Hg and Pb in CGVP system and Cd in OGVP system. The spatial analysis showed that horizontally, distribution of soil properties and heavy metal concentrations in the two sites showed decreases from specific regions to the periphery for organic matter (OM), Cd, Cu, Hg, Pb, and Zn in CGVP and OM, As, Cd, Cu, Hg, Pb, and Zn in OGVP. Vertically, soil properties and heavy metals mainly vary in the topsoil. The key factor for the accumulation was excess fertilizer input. Variation of soil properties and the accumulation of soil heavy metals significantly influenced heavy metal uptake by plants. However, accumulation risk varied according to different heavy metals and different plant species. Environmental management of these two kinds of production systems should pay more attention to fertilizer application, plant selection, and soil properties.     

土壤修复过程中重金属形态的研究综述

重金属污染土壤的修复是现阶段污染土壤治理中的难点之一,在土壤修复过程中对重金属的形态研究已在多个领域中开展,并且在重金属形态及其与生物有效性和毒性等研究领域取得了一定的成果。本文综述了现阶段在污染土壤修复过程中对重金属形态研究的主要领域,分析研究重金属形态的必要性,总结出土壤修复过程中重金属形态方面应当从重金属在土壤与植物中的存在形态入手,研究重金属元素在不同界面间的迁移转化规律,通过阻断重金属元素在污染源、土壤、生物之间的传递链条,以阻止重金属对生物体造成危害,从而为土壤重金属污染的治理修复提供理论基础。     

Effect of citric acid on phytoextraction and antioxidative defense in <Emphasis Type="Italic">Solanum nigrum</Emphasis> L. as a hyperaccumulator under Cd and Pb combined pollution

The impact of citric acid on the ability of Solanum nigrum L. to accumulate heavy metals and on its antioxidant enzyme activity were investigated to further elucidate the effect of chelation on the heavy metal uptake and antioxidative defense in plants under conditions of heavy metal pollution. In the presence of multiple metal contaminants (Cd and Pb), citric acid treatment can significantly enhance the Cd (10–30%) and Pb (10–20%) accumulation in S. nigrum when compared to non-citric acid-treated controls; with this enhanced accumulation, S. nigrum becomes a hyperaccumulator. However, citric acid treatment only slightly influences on the increase of S. nigrum biomass. Furthermore, the combined stress of Pb and Cd resulted in a decrease in S. nigrum photorespiration; the rate of carbon dioxide fixation was restored with the application of citric acid. In addition, the presence of Cd and Pb in the soil led to disturbances in the antioxidative responses of S. nigrum; endogenous superoxide dismutase activity was approximately 3–4 times higher in the leaves than in the roots, and guaiacol peroxidase activity in the leaves was only slightly affected. It was also observed that CA increased the malondialdehyde content and total acid soluble thiol content in the presence of elevated Cd and Pb concentrations in the soil. Moreover, the combined stress of Cd and Pb resulted in progressive decrease in total glutathione and significant increase in root phytochelatins as the heavy metal concentration increased. The application of citric acid improved the mechanisms of antioxidative response and phytoextraction in S. nigrum; this improvement resulted from an increase in the solubility of heavy metals in the soil, which alleviated the metal toxicity. Therefore, citric acid could be involved in the expression of specific proteins or defense-related enzymes.     

层状硅酸盐矿物对重金属污染的防治

简要概拓了重金属污染物在土壤、水、沉积物中的存在形式，并重点介绍了利用层状硅酸盐矿物和粘土矿物治理重金属污染的原理、可行性及应用现状。另外，还提出了一种新的思路-利用层状硅酸盐在风化过程中的结构变化治理重金属污染。     

Accumulation of heavy metals in soil and uptake by plant species with phytoremediation potential

Contamination of heavy metals represents one of the most pressing threats to water and soil resources, as well as human health. Phytoremediation can be potentially used to remediate metal contaminated sites. In this study, concentrations of copper, zinc, iron, and magnesium accumulated by native plant species were determined in field conditions of Hame Kasi iron and copper mine in the central part of Iran in Hamadan province. The results showed that metal accumulation by plants differed among species and tissue bodies. Species grown in substrata with elevated metals contained significantly higher metals in plants. Metals accumulated by plants were mostly distributed in root tissues, suggesting that an exclusion strategy for metal tolerance exists widely amongst them. The mentioned species could accumulate relatively higher metal concentrations far above the toxic concentration in the plant shoots. With high translocation factor, metal concentration ratio of plant shoots to roots indicates internal detoxification metal tolerance mechanism; thus, they have potential for phytoextraction. The factors affecting metal accumulation by plant species including metal concentrations, pH, electrical conductivity, and nutrient status in substrata were measured. Mostly, concentrations of zinc and copper in both aboveground and underground tissues of the plants were significantly, positively related to their total in substrata, while iron, zinc, and copper were negatively correlated to soil phosphorus.     

山东省小清河沿岸土壤重金属污染分布及迁移规律

通过对山东省小清河流域土壤重金属污染现状的调查研究,查明土壤重金属污染状况,元素来源和分布迁移规律,从而为该区土壤重金属污染的科学治理提供有效依据。研究发现,小清河沿岸地区的重金属污染主要表现为As、Cd、Cr、Ni等元素的污染;依据内梅罗污染指数评价方法发现研究区存在重金属污染的土壤总面积为880.5 km2,未受到重金属污染的土壤面积为1 822.1 km2,分别占全区总土壤面积的32.58%和67.42%,其中上游的济南市城区北园镇至华山镇区域的小清河两岸是重污染区。对小清河流域土壤重金属来源的探析表明,大气干湿沉降是土壤重金属污染的主要来源;土壤重金属的生物有效性评价显示重金属元素Cd的活动态比例高达56.17%,活化迁移能力强,是该区对生态环境危害性最大的污染因子。此外,As、Cd、Cr、Pb等重金属元素的活动态含量明显受pH值和Corg含量的制约,在低pH值、高Corg含量的土壤区应高度重视As和Cd的污染问题。