好气条件下不同形态外源砷在土壤中的转化

在35%的田间持水量下,通过模拟试验研究了外源二甲基砷酸盐（DMA）、一甲基砷酸盐（MMA）、五价无机砷［As(V)］在土壤中的形态转化.结果表明: 外源砷进入土壤后,其含量均有随时间推延而逐渐下降的趋势,两种不同形态的有机砷DMA和MMA在土壤中主要发生脱甲基化过程,经150 d的恒温恒湿培养,其在土壤中主要转化为As(V),DMA处理仅在120 d时检测到少量MMA,而MMA处理则在7～60 d内均有少量的DMA生成.培养结束时土壤中DMA和MMA含量均显著降低(P<0.01),降幅分别为99.5%、94.3%,而两者的主要转化产物As(V)的含量则分别显著增加了4.61和5.15倍.表明外源有机态砷在土壤中基本上被转化为无机形态;与有机态外源砷相比,外源As(V)进入土壤后其形态基本上没有发生转化.     

淹水-控温模式下砷污染水稻土溶液中砷形态的变化

以水稻种植区的砷污染土壤为研究对象,采用高效液相色谱(HPLC)-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用分析测试系统,研究了不同培养温度(5、27和50 ℃)对灭菌和不灭菌的土壤淹水后其溶液中砷赋存形态变化的影响.结果表明： 在土壤溶液中检测到的砷形态只有无机三价砷(As^Ⅲ)、无机五价砷(As^V)和有机的二甲基砷(DMA^V),未检测到单甲基砷(MMA^V)的存在;在不同控温条件下随淹水时间的延长,As^Ⅲ逐渐转变为砷的主要赋存形态,平均比例约为64%;As^V次之,约占35%,DMA^V的含量相对最低,约占1%;土壤灭菌与否对土壤溶液中五价砷的水平没有明显影响,但明显影响了五价砷的还原和促进了无机三价砷的甲基化,并且灭菌的促进效果随着淹水及培养时间的延长而逐渐降低;50 ℃、淹水23 d时,灭菌土壤溶液中DMA^V浓度最高,为23.7 ng·mL^-1,这说明灭菌土壤中残留的某些嗜热微生物成为优势菌群并促进了土壤溶液中砷的甲基化.结合水稻生长的实际环境条件对该研究结果进行分析,培养温度27 ℃淹水23 d后不灭菌的自然土壤溶液中砷浓度处于较低水平,因此在砷污染的水稻种植区建议采用短周期干湿交替的水分管理模式,在保障产量的情况下可尽量降低土壤溶液中砷的水平.     

淹水-控温模式下砷污染水稻土溶液中砷形态的变化

以水稻种植区的砷污染土壤为研究对象,采用高效液相色谱(HPLC)-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用分析测试系统,研究了不同培养温度(5、27和50℃)对灭菌和不灭菌的土壤淹水后其溶液中砷赋存形态变化的影响.结果表明:在土壤溶液中检测到的砷形态只有无机三价砷(AsⅢ)、无机五价砷(Asv)和有机的二甲基砷(DMAv),未检测到单甲基砷(MMAv)的存在;在不同控温条件下随淹水时间的延长,AsⅢ逐渐转变为砷的主要赋存形态,平均比例约为64％;Asv次之,约占35％,DMAv的含量相对最低,约占1％;土壤灭菌与否对土壤溶液中五价砷的水平没有明显影响,但明显影响了五价砷的还原和促进了无机三价砷的甲基化,并且灭菌的促进效果随着淹水及培养时间的延长而逐渐降低;50℃、淹水23 d时,灭菌土壤溶液中DMAv浓度最高,为23.7 ng·mL-1,这说明灭菌土壤中残留的某些嗜热微生物成为优势菌群并促进了土壤溶液中砷的甲基化.结合水稻生长的实际环境条件对该研究结果进行分析,培养温度27℃淹水23 d后不灭菌的自然土壤溶液中砷浓度处于较低水平,因此在砷污染的水稻种植区建议采用短周期干湿交替的水分管理模式,在保障产量的情况下可尽量降低土壤溶液中砷的水平.     

外源As(Ⅲ)在不同母质发育土壤中的老化过程

应用模拟试验方法,研究了外源As(Ⅲ)在第四纪红土、紫色砂页岩和花岗岩3种母质发育土壤中的老化过程,并分析了该过程中砷的有效性、结合态等的变化.结果表明: 经过120 d老化后,3种土壤中均只能检测到As(Ⅴ)的存在;伴随老化过程的进行,土壤中有效态砷的含量均呈下降趋势,且下降幅度为:紫色砂页岩发育土壤(RS₂)>花岗岩发育土壤(RS₃)>第四纪红土发育土壤(RS₁).应用准二级动力学方程可以较好地模拟3种土壤中有效态砷含量的变化(P＜0.05),土壤pH、有机质及铁铝锰氧化物是影响砷老化的主要因素,且锰氧化物的影响大于铁铝氧化物(P＜0.05).相关分析表明,非专性吸附态砷和专性吸附态砷是构成土壤有效砷的主要形态.     

砷与天然溶解性有机质相互作用研究进展

砷(As)是一种来源广泛的重金属元素,其在天然水体中的主要存在形式为无机态的砷酸盐和亚砷酸盐。天然水体中的溶解性有机质(DOM)会与砷发生复杂的络合作用,探究两者间的络合作用对了解砷在水体中的迁移转化规律有着重要意义。现有研究缺乏对As-DOM络合物关系的深入讨论,为厘清水体As与DOM的络合机制及影响因素,本文重点综述了:(1)水体中不同形态、价态砷的来源及转化过程;(2) As与DOM的直接络合及金属离子参与下的间接络合机理;(3) p H、温度和盐度等环境因子对As-DOM络合作用的影响;(4)对As-DOM络合物的分离、分析技术进行归纳对比,如色谱法、光谱法及多种分析手段联用的方法;(5)总结现有研究的不足之处及展望后续研究发展方向。本文为后续水体砷迁移转化及砷-溶解性有机质络合物相关研究提供参考及理论支撑。     

增温对南亚热带森林土壤磷形态的影响及其对有效磷的贡献

磷(P)是森林生态系统生产力的重要限制性元素。土壤磷的有效性取决于磷的存在形态及其转化过程。目前有关增温如何调控磷形态转化过程, 从而促进土壤有效磷含量增加的机制尚未明确。该研究以南亚热带森林为研究对象, 采用沿海拔高度从300 m下降至30 m以模拟温度自然上升的方法, 采集该林型0-10、10-20、20-40 cm的土壤, 并用适用于酸性土壤的连续浸提方法分离不同形态磷, 研究增温对土壤不同形态磷含量的影响, 探讨土壤不同形态磷与有效磷的关系, 识别对土壤有效磷在增温背景下增加有重要贡献的磷组分。结果表明增温使0-10 cm的无机钙磷(Ca-Pi)及20-40 cm的无机铁磷(Fe-Pi)和总无机磷含量分别显著增加了65.5%、17.9%和18.5%, 但对总有机磷及各有机磷组分含量均无显著影响。土壤不同形态磷与有效磷含量的相关分析表明, 有效磷与无机态的不同形态磷及有机铝磷、有机铁磷含量均显著正相关, 其中与Fe-Pi含量的相关性最强。通过土壤不同形态磷与有效磷含量的通径分析进一步发现, 无机铝磷、Fe-Pi是土壤磷转化过程中的重要中间过渡性磷组分, 且Fe-Pi是促进有效磷含量增加最重要的直接贡献磷组分。结合前期研究结果, 增温可能增大了凋落物磷对土壤磷的输入, 还可能强化了土壤的吸附和沉淀过程, 使得更多进入到土壤的溶解态磷转化为Ca-Pi、Fe-Pi等缓效磷源, 其中Fe-Pi可能成为南亚热带森林在气候变暖背景下最重要的有效磷来源。     

陆地水环境中砷的迁移转化

由于自然和人为活动,已有大量的砷进入地表和地下水系之中,在一些地区造成严重的水砷污染问题,威胁生态系统安全和人类健康。砷的毒性与砷的存在形态与价态密切相关,研究其在环境中的迁移转化规律是有效降低砷的生态与健康风险的科学基础。本文以水环境为对象,就砷的性质及毒性,水环境中砷的来源、形态分布及迁移转化研究进展进行综述,重点围绕沉积物-水界面砷的迁移转化规律进行展开;对砷在环境中迁移转化的影响因素,包括Eh-p H、水合金属氧化物、有机质、微生物和粘土矿物等进行系统阐述,以期对今后水环境砷污染的预防和治理提供借鉴。     

紫色非硫细菌的砷代谢机制

[目的]系统阐述紫色非硫细菌(PNSB)砷代谢机制和砷代谢基因簇的进化关系.[方法]通过生物信息学方法分析了PNSB砷代谢基因簇的分布、组成、排布方式.采用UV-Vis和HPLC-ICP-MS方法,研究了3个PNSB种类对砷的抗性、砷形态及价态的转化、砷在细胞中的积累和分布以及磷酸盐对As细胞毒性的影响.[结果]砷基因簇分析表明:已公布全基因组序列的17个PNSB菌株基因组中均含有以ars operon为核心的砷代谢基因簇,由1-4个操纵子组成,主要含有与细胞质砷还原和砷甲基化代谢相关的基因,但基因的组成和排列方式因种和菌株而异,尤其是arsM和两类进化来源不同的arsC.实验结果表明:光照厌氧条件下,3个PNSB种类对As(V)和As(Ⅲ)均具有抗性,As(V)和As(Ⅲ)均能进入细胞 ;在胞内As(V)能够还原为As(Ⅲ)并被排出胞外,但不能将As(Ⅲ)氧化为As(V),也未检测到甲基砷化物 ;磷酸盐浓度升高,能够抑制As(V)进入细胞,降低As(V)对细胞的毒性,而不能抑制As(Ⅲ)进入细胞.[结论]PNSB砷代谢机制主体为细胞质As(V)还原,也还有砷甲基化途径.通过对砷代谢基因簇结构多样性特点和进化方式分析,提出了与Rosen不同的ars operon进化途径.这对深入开展PNSB砷代谢和基因之间的相互作用研究奠定基础.     

4种蚯蚓肠道微生物对砷毒性的响应差异研究

蚯蚓肠道是微生物多样性的一个潜在存储库。砷对蚯蚓肠道微生物群落的影响已被证实,但砷在不同蚯蚓肠道菌群中生物转化的差异仍不清楚。为了进一步阐述土壤中广泛存在的低浓度砷(浓度为5,15,25 mg/kg)对不同种类蚯蚓肠道微生物影响的差异,将4种典型蚯蚓暴露于砷污染土壤后,测定其肠道微生物组成变化,并分析砷对不同蚯蚓肠道内砷富集、形态和砷生物转化基因的影响。结果显示,所有蚯蚓组织内均存在明显的砷富集,其富集系数由高到低依次为:安德爱胜蚓(1.93)>加州腔蚓(0.80)>通俗腔蚓(0.78)>湖北远盲蚓(0.52),蚯蚓组织和肠道内砷形态主要以无机砷为主,其中As(III)含量比例> 80%,部分蚯蚓组织内还发现少量有机砷。4种蚯蚓肠道微生物群落在门水平上主要以变形菌、厚壁菌和放线菌为主,并与周围土壤细菌群落组成存在显著差异。同时,在土壤和肠道内共检测到17个砷转化基因,其中蚯蚓肠道内As(V)还原和砷转运相关基因相对丰度较高,而砷(去)甲基化基因丰度较低。此外,低浓度砷污染对蚯蚓生长无显著影响,却能引起蚯蚓肠道微生物群落的紊乱。蚯蚓种类和砷污染是引起蚯蚓肠道微生物...     

外源二甲基砷在土壤中的转化

利用盆栽试验,研究了外源二甲基砷（DMA）进入土壤后的形态及其与土壤胶体结合态的变化.结果表明：土壤中的DMA主要转化为砷酸根［As(V)］,并伴有少量的一甲基砷（MMA）生成;当外源DMA添加浓度为30 mg·kg^-1时,DMA的转化率最高,其在培养时间为10、15、30、40 d时的转化率分别为6.71%、8.11%、11.33%、19.32%;随着外源DMA添加浓度的增加土壤中易溶性砷（AE-As）浓度呈逐渐增加的趋势,但随着培养时间的增加,AE-As浓度不断降低;与不加外源DMA的对照相比,添加不同量的DMA使土壤中铝型砷（Al-As）、铁型砷（Fe-As）、钙型砷（Ca-As）浓度均有所增加,DMA及其转化产物与土壤中铝、铁、钙的氧化物或氢氧化物间的吸附或固定可能是其主要原因.     

土壤跳虫适应低温环境的策略与机制研究进展

低温和干燥是极地及寒温带地区动物的主要环境胁迫因子.为适应恶劣的环境,此区域的动物必须运用有效的方式来适应其栖息环境.土壤跳虫是典型的以避免体液结冰为主要策略来适应低温环境的动物类群,其抗低温的生态策略和模式与昆虫存在相似之处,表现在其利用冷驯化及与干旱协同作用,降低冰晶形成的伤害.在抗低温过程中,其体内甘油等小分子物质含量迅速增加,海藻糖、葡萄糖等分子迅速降低,低温保护蛋白--抗冻蛋白(AFP)产生,并存在脂质的相互转化,提高包膜的流动性,以保护细胞免受低温的伤害;同时也存在与其他昆虫不同的特异性策略与模式,主要包括在雪被保护下的垂直迁移行为,以及将冰核剂随蜕皮而排除体外等.这些土壤跳虫特异的抗冻模式与机制表明其低温生物学研究具有一定的科学意义.本文综述了土壤跳虫抵抗低温环境的模式、类型及机制,总结了近几年其生理生态机制研究进展,讨论了土壤跳虫抗低温研究存在的问题,并就全球变化背景下土壤跳虫低温生态研究前景进行了展望.     

砷对土壤脲酶活性影响的研究

采用模拟方法对As污染土壤脲酶特征进行了研究．结果表明,土壤中As浓度在0～200mg·kg^-1浓度范围内,反应初期脲酶活性变化无明显规律;一年后砷激活土壤脲酶活性,二者达到显著或极显著正相关．随As浓度增加,土壤脲酶Km值基本不变或略有增加,Vmax增大,从机制上揭示出As加速脲酶-尿素复合物的解离．厩肥和无肥土样脲酶对As的反应类似,只是变化幅度有所差异．     

Arsenic mitigation in soil-plant system through zinc application in West Bengal soils

The study area of the experiment was selected on the basis of a preliminary field survey and laboratory detection of accumulation, accompanied by biomagnification, of arsenic in the water-soil-plant continuum. A laboratory incubation study was conducted with soil samples from the selected areas of West Bengal with arsenic-contaminated groundwater, and from a low arsenic zone. These soils were treated with different concentrations of zinc and arsenic and incubated for 10 and 25 days. The findings from the incubation study indicate the decrement of arsenic release in the soil solution of the given soils on application of zinc, which tends to bind arsenic electrostatically in the soil matrix, thereby helping to mitigate the toxicity of arsenic to some extent in the soil-plant system. The arsenic-zinc interactions were further revalidated in the arsenic-affected fields where a similar type of moderating effect (as in the incubation study) was observed in rice-rice cropping sequence. Arsenic-zinc interactions were critically analyzed through a number of accumulation, translocation, and mobility parameters, considering soil to plant uptake in different plant parts.     

Studies on Fractionation of Arsenic in Soil in Relation to Crop Uptake

Widespread arsenic (As) contamination in West Bengal and Bangladesh is of great concern as it affects millions of people due to its toxicity. Groundwater, when used for irrigation, helps entry of arsenic into the food chain via a soil-plant-animal continuum. In this study the extent of geo accumulation is measured in order to assess the degree of As contamination in soil. A sequential fractionation study of As revealed the concentration of different arsenic fractions in the order: As held at the internal surfaces of soil aggregates (20.7%) > freely exchangeable As (20.3%) > calcium associated As (18.7%) > chemisorbed As (17%) > residual As (15.7%) > labile As (3.29%). The variation in fractions may be attributed to the mineralogical make-up of soils along with some physicochemical factors. Statistical correlations and path analyses revealed that total and Olsen extractable arsenic (plant available arsenic) are dependent upon the As held at the internal surfaces of soil aggregates and chemisorbed arsenic fraction, which are directly influenced by the mineralogy of these experimental soils. The crop uptake by Kharif rice and mustard grown in these areas also corroborates the above fact. The poor reflection of exchangeable forms of soil arsenic in crop availability revealed that arsenic has undergone transformation via minerals through the continuous use of arsenic-laden water for irrigation.     

无机砷在植物体内的吸收和代谢机制

砷污染已成为全球非常突出且急需解决的环境问题,严重威胁人类健康和环境安全.在自然环境和土壤系统中,砷的存在形态相当复杂,但植物砷毒害主要源于As（V）和As（Ⅲ）暴露.As（V）通过Pi的吸收通道被植物根系吸收,并在还原酶（AR）作用下被快速还原为As（Ⅲ）.As（Ⅲ）通过NIP蛋白通道进入植物体内,在砷甲基转移酶(ArsM)的作用下转化为甲基化砷或与谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC）等多肽的巯基螯合封存在根部液泡或转运到地上部分,从而起到砷解毒的作用.同时,植物吸收的一部分砷也可外排到外部介质.本文以农作物尤其是水稻为主线,详述了As（V）和As（Ⅲ）吸收、外排及As（V）还原、As（Ⅲ）甲基化、螯合作用的最新研究进展,并提出了今后的研究重点.     

Arsenic Pollution of a Loam Soil: Retention Form and Decontamination

A study was conducted to assess the retention form of arsenic in soil and to evaluate the use of phosphate for releasing it from the soil. In this study, a loam soil was artificially polluted with arsenate at pH 5.5, which is one of the pH values at which maximum arsenic adsorption occurred. The soil was kept for 2.5 months under wet conditions to allow for stabilization. The soil was maintained under aerobic condition and losses of arsenic by volatilization were determined to be minimal. The soil was then sequentially extracted with a series of chemicals to identify the soil fractions in which the arsenic was bound. The percentage of arsenic found in the Fe bound-exchangeable, reducible-residual, Al bound exchangeable, residual, calcium bound exchangeable, and easily exchangeable forms was 31.6, 27.3, 25.2, 5.5, 4.9, and 4.7%, respectively. A batch experiment showed that at 20°C, 80% of the bound arsenic was removed by phosphate in the pH range of 5 to 7. A power function model was found to fit the data with a desorption rate constant of 402?mg/kg As h^?1.     

Use of Arsenic Contaminated Irrigation Water for Lettuce Cropping: Effects on Soil, Groundwater, and Vegetal

The present study investigated the effects of using arsenic (As) contaminated irrigation water in Lactuca sativa L. cropping. Two different arsenic concentrations, i.e., 25 and 85 μg L⁻¹ and two different soils, i.e., sandy and clay loam, were taken into account. We determined the arsenic mobility in the different soil fractions, its amount in groundwater, and the phytotoxicity and genotoxicity. Nuclear magnetic resonance (NMR) and inductively coupled plasma (ICP) were used to assess the lettuce metabolic profile changes and the arsenic uptake by the plant, respectively, as a function of the various conditions studied, i.e., As content and type of soil. Data indicated that at both concentrations in sandy soil, arsenic is in part quickly leached and thus present in groundwater and in part absorbed by the vegetable, being therefore readily available for assimilation by consumption. NMR results reported a large modification of the metabolic pattern, which was depending on the pollutant amount. In clay loam soil, the groundwater had a low As content with respect to sandy soil, and NMR and ICP performed on the lettuce did not reveal severe changes related to As, most likely because the metalloid is bound to the colloidal fraction.     

土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟

确定土壤中重金属生物有效性是评价土壤重金属污染生态风险的关键,然而在生态风险评价实际应用中,测定土壤重金属生物有效性耗时且高成本,限制了生物有效性评价法的应用。通过对模式植物的文献搜集,总结了影响植物富集土壤砷的7个土壤因子,揭示了土壤砷植物暴露的影响机制。运用SPSS 18.0对文献数据集各个土壤因子进行了回归分析、相关性分析和共线性分析。单因子回归分析表明营养盐类对植物富集砷影响很小,可以忽略不计;相关性分析和共线性分析结果表明土壤因子之间存在多元共线性;主成分分析结果表明,植物富集砷浓度主要受土壤质地的物理综合指标以及土壤总砷含量和土壤酸碱度等化学综合指标影响。其中植物富集浓度受土壤中总砷浓度影响最大,受土壤质地中砂粒含量影响其次;土壤粉粒、粘粒、有机质含量和阳离子交换量对富集也有一定影响;而土壤酸碱度对植物富集浓度的影响相对较小。最终通过数学模型解释植物富集砷浓度随土壤性质变化的规律,建立了土壤性质与土壤砷植物暴露的相关关系,为土壤重金属生物有效性风险评价法提供理论依据。