2017 年土壤重金屬污染與修復研究熱點回眸之土壤重金屬的形態轉化

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來源：《科技導報》2018 年01 期《2017 年土壤重金屬污染與修復研究熱點回眸》

作者：李柱，周嘉文，吳龍華

單位：中國科學院南京土壤研究所土壤環境與污染修復重點實驗室

因土壤組分和性質、重金屬元素種類和污染時間不同，重金屬在土壤中的存在形態和活性具有明顯差異，準確明晰土壤重金屬形態及轉化是污染土壤進行風險評估、管控及修復的重要基礎。

重金屬進入土壤後隨時間延長活性逐漸降低的過程，為重金屬的「老化」過程。澳大利亞南十字星大學Rahman等利用同位素稀釋法和X射線吸收光譜技術對長期歷史老化和新近的污染土壤As活性和形態進行研究，探討老化過程對As活性降低的機制。

對比研究發現，歷史老化土壤90%以上As為不可逆結合，主要形成了類似鈣、鋁和鐵結合的礦物沉澱，而新污染土壤As主要受控於表面吸附作用，如水合鐵鋁氧化物和高嶺石等表面吸附。

該研究證實，老化可將表面吸附的As通過礦物的重結晶而降低其移動性和可利用性。

除老化作用，土壤性質也影響重金屬的結合形態。Ren等選取了9種Pb、Zn污染土壤，結合化學提取、多元素穩定同位素稀釋法及多表面模型，研究何種土壤性質或成分控制Pb和Zn的地球化學過程。同位素稀釋法結果表明，有0.1%~38%的Pb為同位素可交換形態，而Zn為3%~45%；連續提取和模型結果表明，錳氧化物是土壤Pb的主要吸附物質，而在低pH土壤Zn活性主要受有機質的影響，在高pH土壤受控於鐵錳氧化物。該結果表明模型能預測土壤重金屬活性控制因子，但需進一步將錳氧化物作用整合到模型中。

重金屬進入土壤後，經長期老化作用而處於相對穩定的平衡狀態，但植物根系、微生物等作用使土壤性質發生變化時，其形態和有效性將可能隨之改變。

法國國家科學研究院Aucour等針對土壤環境普遍存在的Zn，利用X射線吸收精細結構譜、微X射線熒光技術以及穩定同位素技術，研究Zn在水生植物Typha latifolia-淹水土壤體系的形態和轉化，發現在淹水土壤中Zn主要以層狀雙氫氧化物、四面體和八面體吸附態以及ZnS存在；在植物體內Zn以有機酸結合和細胞壁絡合的八面體和四面體形態以及硫基結合態Zn存在；ZnS富集相對較輕的同位素Zn，而根鐵膜中Zn的組份相對於土壤中Zn較輕（-0.3‰~0.1‰），表明ZnS在植物根際有氧環境下氧化溶解從而被鐵膜吸附，同時發現相對於葉、莖富集的Zn同位素較輕，表明葉Zn再分配通過韌皮部回到莖中。該研究揭示了硫元素在濕地土壤-植物中Zn形態、轉運和儲存的作用機制。

在淹水的水稻土中，土壤As還原成As（III），增加其移動性和水稻砷的有效性，其中微生物調節的氧化還原過程起著重要作用。南京農業大學Zhang等研究發現，添加硝酸鹽強烈刺激了As（III）被無氧氧化成As（V），降低了稻田土壤可溶性總As的濃度（圖1），顯著增加了aioA基因丰度，以及食酸菌屬和偶氮菌屬的OTUs丰度。進一步從添加硝酸鹽處理的水稻土中分離出一株屬於食酸菌屬的細菌ST3，該細菌能在厭氧條件下將硝酸根作為電子受體而氧化As（III）和Fe（II），該研究為降低污染土壤中As移動性提供了新的技術方法。

圖1 硝酸鹽加入后土壤溶液As和Fe形態變化

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