铁还原条件下铁负载生物质炭固定三价砷的能力及其稳定性

为研究还原条件下铁负载生物质炭固定三价砷[As（Ⅲ）]的能力及其自身稳定性,首先探究了铁负载生物质炭介导铁还原菌（Shewanella oneidensis MR-1）还原含As（Ⅲ）的水铁矿[As（Ⅲ）-FH]时对As（Ⅲ）的释放和固定能力;其次评估了铁还原菌的还原作用对铁负载生物质炭固定As（Ⅲ）稳定性的影响。研究表明,400~700℃制备的铁负载生物质炭在好氧条件下可以吸附0.94~1.63 mg·g^-1的As（Ⅲ）。在As（Ⅲ）-FH还原体系中,随着铁负载生物质炭制备温度的提升：0~400 h时,铁负载生物质炭加速S.oneidensis MR-1还原As（Ⅲ）-FH释放二价铁和As（Ⅲ）的能力也逐渐提升;在400~646 h,分别加速溶液中的Fe²⁺沉淀生成蓝铁矿和菱铁矿,以及As（Ⅲ）的部分固定,在646 h时As（Ⅲ）的固定量为0.211~0.676 mg·g^-1。在铁负载生物质炭固定As（Ⅲ）稳定性评估体系中：铁还原菌的还原作用虽然会导致铁负载生物质炭中磁铁矿还原转化生成蓝铁矿和菱铁矿,但却可以在342 h内提升固定As（Ⅲ）的能力,达到2.16~2.29 mg·g^-1。因而在铁还原菌构建的还原生境中,铁负载生物质炭的As（Ⅲ）固定能力在342 h的短期内呈现增加的趋势,而在646 h的长时间培养条件下As（Ⅲ）的固定能力逐渐降低。通过构建简单的铁还原生境,评估了铁负载生物质炭在还原环境中固定As（Ⅲ）的潜能,为稻田土壤砷污染阻控材料的筛选提供了一种评估方法。     

铁改性生物炭对水稻土中砷/铁还原的影响

为探讨铁改性生物炭对水稻土中砷（As）/铁（Fe）形态转化的影响,本研究以湖南某矿区周边As污染稻田土壤为研究对象,研究对照组（CK）、生物炭（CS）、铁改性生物炭（CFS）和蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS,AS）4个处理对As/Fe形态转化及微生物群落结构的影响。结果表明：培养至49 d时,各处理中释放的As（Ⅲ）浓度为CS（383.6 μg·L^-1）>AS（335.7 μg·L^-1）>CK（296.9 μg·L^-1）>CFS（109.7 μg·L^-1）;Fe（Ⅱ）浓度为CFS（166.3 mg·L^-1）>AS（155.1 mg·L^-1）>CS（123.8 mg·L^-1）>CK（72.43 mg·L^-1）。CK、CS、CFS、AS处理中溶解性有机碳（DOC）分别被利用了52.37%、56.96%、55.29%、53.52%;3个处理组液相层中DOC的腐殖化程度显著高于CK。16S rRNA基因测序结果表明,优势微生物为变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）,约占细菌总量的70.0%;CFS处理组中As/Fe还原菌（Clostridium、Geobacter和Anaeromyxobacter）的相对丰度显著高于其他处理。研究表明,施加铁改性生物炭会改变DOC的生物利用性及微生物群落结构,从而调控水稻土中As（V）/Fe（Ⅲ）的还原,为水稻土As污染修复提供理论基础。     

四种生物炭对潮土土壤微生物群落结构的影响

为探究生物炭对土壤微生物群落结构的影响,以花生壳生物炭(PBC)、玉米秆生物炭(MBC)、杨木屑生物炭(ABC)和竹屑生物炭(BBC)为试验材料,每种生物炭分别以0、20.0、40.0、80.0、160.0 g·kg~(-1)的浓度添加到供试潮土中,经过45 d的室内培养后用磷脂脂肪酸(PLFAs)法分析土壤中微生物群落结构。研究结果表明:施用PBC、MBC和ABC对土壤总微生物总量、土壤细菌量有促进作用,但其增加幅度随生物炭浓度的升高呈现降低趋势,而添加BBC则会显著降低土壤微生物总量、土壤细菌量;PBC、MBC、ABC和BBC对土壤真菌细菌比有显著的促进作用;适量添加生物炭(20.0、40.0、80.0 g·kg~(-1))会增加真菌量,但大量(160 g·kg~(-1))添加PBC、BBC会显著降低真菌量。施入生物炭后,生物炭自身特殊理化性质和土壤理化性质如酸碱度、土壤电导率、比表面积、孔径等的变化是导致土壤微生物群落变化的主要原因;适量施加ABC、PBC相比于BBC、MBC更有利于潮土土壤微生物群落结构的发展。     

水稻秸秆生物质炭对Shewanella oneidensis MR-1异化铁还原过程的抑制作用及其潜在机制分析

为进一步明晰生物质炭影响微生物异化铁还原过程的机制,本研究综合采用微生物细胞悬浮液培养、激光扫描共聚焦显微镜成像、介导电化学分析等技术手段,探究了铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1在不同生物质炭和水铁矿浓度下的铁还原动力学规律及其潜在反应机制。结果表明：水稻秸秆生物质炭能够强烈抑制微生物的铁还原速率,且其抑制效应极大地受Fe（Ⅲ）浓度的影响,而具有较强给电子能力的生物质炭能化学还原水铁矿,降低微生物铁还原过程中的初始Fe（Ⅲ）浓度。同时,显微成像发现生物质炭表面附着有微生物细胞并形成聚合体,但在聚合体中未观察到水铁矿。研究表明,水稻秸秆生物质炭能够抑制微生物铁还原过程,其抑制作用可能与生物质炭对水铁矿的化学还原降低初始Fe（Ⅲ）浓度以及对细胞进行吸附有关。     

控制光照条件下生物炭对水稻土中铁还原过程的影响

为探究生物炭的添加对淹水稻田体系中蓝藻等光合微生物生长及稻田土水界面氧化还原平衡的影响,选择3种水稻土样品,采用土壤泥浆厌氧恒温培养方法,在控制光照条件下研究添加不同粒径生物质对光合细菌生长及Fe(Ⅲ)还原过程的影响。结果表明,避光条件下添加生物炭可以促进水稻土中铁还原过程,但不同粒度生物炭对铁还原的促进作用差异不显著。光照条件下添加不同粒度生物炭使天津(TJ)、宁夏(NX)和四川(SC)水稻土中叶绿素a(Chl a)含量分别降低35.63%~67.47%、39.66%~70.56%和46.82%,生物炭粒度对Chl a累积量的影响因土壤不同而存在差异。光照刺激下光合微生物的大量生长并产氧,引起了Fe(Ⅱ)的氧化,使Fe(Ⅱ)累积量降低了6.009~6.415 mg·g-1(TJ)、1.473~2.058 mg·g-1(NX)和3.037~3.693 mg·g-1(SC)。光照条件下,添加生物炭在三种水稻土中均对铁氧化过程有促进作用,且增加量与水稻土来源和生物炭粒度有关:TJ和SC水稻土中0.25 mm处理和0.25~0.5 mm处理对铁氧化的促进作用高于0.5~1.0 mm处理和1.0~2.0 mm处理;NX水稻土中,不同粒度生物炭对铁氧化的促进作用差异不明显。表征光合微生物生长的Chl a含量、体系p H的改变量及Fe(Ⅱ)的氧化量之间存在显著的相关性。     

生物炭对减弱土壤盐渍化的贡献及其机理探讨

以3种不同盐碱化水稻土(吉林、宁夏和天津)为材料,采用土壤泥浆厌氧培养法,通过对添加不同用量生物炭的培养体系中游离碳酸盐质量摩尔浓度、pH、脱氢酶活性及Fe(II)质量分数的变化趋势分析,以期验证生物炭在减弱土壤盐渍化过程中的贡献及进行必要的机理探讨。结果表明:生物炭能够促进碳酸盐的溶出,在吉林、宁夏和天津3种水稻土中添加生物炭后,碳酸盐的溶出量较CK分别增长0.405~1.590、0.894~3.592、0.725~2.278μmol/g,且碳酸盐的溶出量随生物炭用量的增加而升高;添加生物炭对体系脱氢酶活性具有显著促进作用,3种土壤中脱氢酶活性较CK分别增加6.53~15.45、1.76~4.25和8.81~21.13μg/(mL·g·min);土壤pH在淹水过程均有降低,但由于土壤的缓冲性导致不同生物炭处理间无显著差异;生物炭的添加显著促进微生物铁还原进程,3种水稻土在培养过程中最大铁还原潜势较CK分别增长0.017~0.034、0.088~0.436、0.023~0.437μg/mL,且生物炭用量与Fe(Ⅱ)质量分数呈正相关。典范对应分析表明,土壤初始pH与碳酸氢盐变化量极显著相关,说明生物炭对碳酸盐溶出量的影响因土壤性质不同而存在差异;吉林和宁夏水稻土各处理差异显著,天津水稻土中,添加生物炭对铁还原过程有促进作用,但生物炭用量的作用差异不明显。推测生物炭通过促进土壤的脱氢-产氢过程进而增加碳酸盐向碳酸氢盐的转化,通过强化微生物铁还原过程增加对碳酸盐的固定。     

施用生物炭和接种AM真菌对玉米砷含量的影响

为了探究重金属胁迫下生物炭和AM真菌的协同效应,研究了煤矿区污染情况下施用生物炭和接种AM真菌对玉米重金属As含量和土壤有效态As含量的影响。结果表明,施用生物炭和接种AM真菌均能够降低玉米重金属As含量,也能够降低土壤有效态As含量。而施用生物炭和接种AM真菌结合对降低玉米重金属As含量和土壤有效态As含量效果最佳。施用生物炭和接种AM真菌复合处理与对照相比分别降低玉米地上部、根系和土壤有效态As含量74.47%、56.07%、74.22%。该结果可为生物炭和接种AM真菌联合用于玉米安全生产和修复土壤重金属污染提供理论支撑。     

模拟酸雨条件下铁硅材料和生物炭对土壤镉砷形态及生物有效性的影响

采用温室盆栽实验,研究了模拟酸雨条件下铁硅材料、鸡粪及其高温裂解生物炭单施或复配对土壤Cd、As形态及生物有效性的影响。结果表明:酸雨导致土壤p H值显著降低,并提高土壤有效态Cd、As含量,几种钝化剂的添加能提高土壤p H值0.41~1.34个单位,铁硅材料与生物炭组合能显著降低土壤Cd、As有效态含量。酸雨对蔬菜的生长有显著抑制作用,并促进重金属在蔬菜体内积累,且显著增加铁硅材料和生物炭单一处理蔬菜对Cd、As的吸收,而铁硅材料与生物炭复合处理可以有效抵御酸雨的不良影响。土壤重金属的化学形态分析显示,酸雨处理显著提高土壤中水溶交换态Cd(1 mol·L-1Mg Cl2提取)比例,降低有机硫化物态和残渣态Cd比例。铁硅材料与生物炭复合处理(IS+BC700)土壤中水溶交换态Cd显著降低,土壤中Cd形态主要向铁-锰氧化物结合态和有机硫化物结合态转化且土壤中残渣态Cd比例升高,从而显著降低其生物有效性。IS+BC350组合处理显著降低土壤中非专性吸附态As比例。本研究表明铁硅材料与生物炭的组合可以有效缓解酸化条件下镉砷复合污染农田土壤重金属对作物的毒害作用。     

硫酸盐对土壤铁矿物还原转化及砷释放的影响

为研究硫酸盐对受酸性矿山废水污染土壤中Fe和As转化释放的影响,设计开展灭菌、非灭菌和加硫非灭菌3组淹水释放实验,在厌氧手套箱中连续处理30 d,每5天取样一次,测定上清液pH、氧化还原电位(Eh)、Fe(Ⅱ)和As浓度,以及土壤中盐酸提取态Fe(Ⅱ)和As的含量。结果表明:实验初始阶段,在微生物的作用下,土壤悬液pH升高、Eh降低,硫酸盐的添加会增强这一趋势。实验前5 d为铁矿物还原转化阶段,土壤中Fe和As活化速率较高,释放速率也较大,硫酸盐的加入会增大活化释放量。之后,随还原性增强,硫酸盐大量被还原,亚铁硫化物矿物生成,土壤中的铁矿物被继续活化但速率降低,加硫非灭菌组仍有较高的活化量,同时土壤被活化的As含量减少,释放Fe和As的过程被抑制,促使溶液中Fe(Ⅱ)和As的浓度降低。实验后15 d,虽然受生成铁矿物沉淀的控制,溶液Fe浓度能够持续维持在较低水平,但As浓度却持续增加,硫酸盐的加入会增加As的释放量。     

生物炭对棕壤大豆根际微生物的影响

为了探讨生物炭对棕壤大豆根际微生物群体的影响,试验设置CK(0kg·hm-2),C1 (750kg· hm-2),C2( 1500kg· hm-2),C3(3000kg·hm-2),C4(6000kg· hm-2)5个生物炭梯度,分别在大豆苗期、开花期、结荚期、鼓粒期和成熟期测定土壤微生物数量、pH值和田间持水量的动态变化,并观察微生物在炭粒与土粒中的分布情况.结果表明:多数生育期生物炭处理提高大豆根际土壤中细菌数量,最高增加94.9％;前4个生育期,与CK相比真菌和放线菌数量减少,分别减少13.6倍和47.2％,但成熟期C4真菌增加0.51倍,而放线菌则提高2.09％.细菌真菌比例提高,成熟期C4比CK高70.7％.土壤pH提高,成熟期C4比CK高5.6％.炭粒中微生物数量少于土粒.通过增加土壤细菌与真菌数量比例,以及提高pH,生物炭可能成为缓解大豆连作障碍的土壤改良剂.     

添加铬、铁及葡萄糖对土壤中异化铁还原的影响

采用水稻土为供试土壤,通过添加氧化铁、铬酸盐和葡萄糖的模拟试验,在厌氧培养条件下测定了土壤中可浸提态的亚铁和铬( )浓度的变化,探讨了有机碳源及Cr( )、Fe对厌氧条件下水稻土中微生物铁还原的影响及Fe( )和Cr( )还原的竞争关系。结果表明,添加碳源和氧化铁后,能有效促进厌氧条件下水稻土中铁的异化还原过程,显著减小土壤中铬( )浓度;添加Cr( ),将导致土壤中铁还原滞后;厌氧水稻土中Fe( )和Cr( )的竞争还原机制为,有机电子供体导致氧化铁发生微生物还原,产生的Fe( )引起土壤中Cr( )的化学还原。     

减肥条件下生物质炭施用对水稻田土壤细菌多样性的影响

为了研究肥料减施和水稻秸秆生物质炭添加对水稻田土壤细菌多样性的影响,采用MiSeq高通量测序分析技术,对不同施肥量（100%、90%、80%常规施肥）和添加水稻秸秆生物质炭（1%）的水稻田非根际和根际土壤进行了细菌多样性分析。结果表明,与非根际土相比,水稻根际微生物细菌多样性更加丰富。从门水平看,最主要是变形菌门,占34.85%~47.57%,添加生物质炭降低了变形菌门在非根际土中的丰度,而促进其在根际土中富集,肥料减施对变形菌门丰度的影响刚好相反,且减施肥料越多对变形菌门影响越大;酸杆菌门次之,占10.48%~19.42%,变化趋势与变形菌门相反。从属水平看,Unclassified Burkholderiaceae、Unclassified Subgroup 6、Unclassified bacterium 126等菌属在土壤中占比较高。典范对应分析（CCA）结果表明,优势菌群丰度与采样位置、肥料添加、生物质炭添加等环境因素存在一定的相关性。研究表明,不同减肥条件下（80%和90%）生物质炭的施用（1%）均会对土壤细菌多样性造成影响,其变化与采样位置、肥料减施量和生物质炭添加密切相关。     

有机碳源对水稻土中微生物铁还原特征的影响

水稻土中的Fe(Ⅲ)还原过程是微生物介导的生物学过程,是地球化学循环中重要的一部分。为了探讨不同的电子供体对水稻土异化铁还原过程的影响,采用厌氧泥浆的培养方式,向水稻土中添加葡萄糖、乙酸钠、丙酮酸钠、乳酸钠作为碳源,定期测定Fe(Ⅱ)的累积量和pH变化,并用Logistic方程对结果进行拟合分析。结果表明,供试的4种水稻土均能较好地利用葡萄糖、丙酮酸盐和乳酸盐还原Fe(Ⅲ),而乙酸盐则不同程度的抑制了铁还原过程的发生,特别是吉林水稻土添加乙酸盐后,这种抑制作用更明显。4种水稻土添加丙酮酸盐的处理具有最大铁还原速率(Vmax),并且达到最大铁还原速率的时间(TVmax)最短。不同来源水稻土微生物在利用碳源时具有一定的选择性。影响不同水稻土铁还原潜势的主要因素是水稻土中无定形铁的含量,土壤全磷含量过高时对铁还原过程也有一定的抑制作用,添加碳源后体系pH同Fe(Ⅱ)累积量之间表现出显著负相关。     

电子穿梭物质对异化Fe(Ⅲ)还原过程的影响

选择采自吉林(JL)、四川(SC)、江西(JX)和浙江(ZJ)的水稻土样品,采用微生物混合培养和土壤泥浆厌氧恒温培养的方法,研究了电子穿梭物质蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)对异化铁还原的影响。用Logistic方程对异化铁还原过程进行模拟,并对异化铁还原特征及Fe(Ⅲ)还原的最大累积量(a)、反应速率常数(c)、最大反应速率(Vmax)等参数进行了比较。结果表明,在微生物混合培养试验中。添加AQDS能够明显加速Fe(Ⅲ)的还原,随着AQDS浓度的增大,Fe(Ⅱ)产生的速率越大,且在铁还原反应中不同来源微生物对AQDS的敏感性不同。在土壤泥浆培养中,添加AQDS可明显增大Fe(Ⅱ)累积量,并且随着AQDS浓度增大,在JX和ZJ水稻土中表现出a值不断增大,其中JX水稻土的增加幅度最大,而JL和SC水稻土的a值则随AQDS浓度增大而减小;除JL水稻土外,其他水稻土中铁还原速率常数均随着AQDS浓度的增加呈先增加后降低的趋势,表明过量的AQDS对土壤中的铁还原反应具有一定的毒害作用。试验证明AQDS不仅能促进微生物对土体中易还原氧化铁的还原,而且也能使部分较难还原的晶体氧化铁被还原。     

减氮配施生物炭对水稻生产力及土壤细菌群落组成的影响

为研究氮肥减量及配施生物炭对稻田作物生产力和土壤微生物区系及功能代谢的影响,通过田间定位试验,设置不施氮（CK）、常规施氮（N100）、减氮20%(N80)、减氮20%配施生物炭（N80BC）、减氮40%(N60)、减氮40%配施生物炭（N60BC）6个处理。结果表明：减氮配施生物炭处理不会降低水稻作物的产量,但可显著提高土壤pH和有机碳（TOC）含量。土壤微生物测序结果表明,不同处理对土壤细菌α多样性指数没有显著影响。变形菌（Proteobacteria）、绿弯菌（Chloroflexi）、酸杆菌（Acidobacteria）、放线菌（Actinobacteria）、芽单胞菌（Gemmatimonadetes）是水稻土中优势微生物类群（门水平）。N60BC处理的变形菌、芽单胞菌、放线菌的相对丰度分别比N100处理高36.8%、40.7%和11.3%;在属水平上,N60BC处理的鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）、马赛菌属（Massilia）、芽单胞菌属（Gemmatimonas）的相对丰度分别比N100处理高68.6%、54.0%和49.2%。KEGG分析结果表明,与N100处...     

环丙沙星对土壤微生物量碳和土壤微生物 群落碳代谢多样性的影响

采用氯仿熏蒸浸提法和Biolog法,分析环丙沙星作用下的土壤微生物量碳和微生物群落碳代谢多样性,以揭示环丙沙星在环境中残留对土壤微生物学性状的影响.结果表明,环丙沙星(wCIP≥0.1 μg/g)对土壤微生物量碳含量影响显著(P＜0.05),土壤中环丙沙星浓度愈高,微生物量碳含量愈低,100μg/g的环丙沙星处理使土壤微生物量碳含量下降58.69％.环丙沙星对土壤微生物群落碳代谢功能影响显著,环丙沙星降低了土壤微生物对碳水化合物、羧酸、氨基酸、聚合物、酚类和胺类的碳源利用率;环丙沙星(wCIP≥0.1 μg/g)显著影响了土壤微生物群落碳源代谢强度和代谢多样性,但不同浓度的环丙沙星对土壤微生物群落碳代谢功能的影响不同,0.1、1、10 μg/g的环丙沙星处理对土壤微生物群落碳代谢功能的影响主要表现在处理前期(用药第7天、21天),这种影响在处理后期(用药第35天)表现不明显,100μg/g的环丙沙星在用药的前期和后期均显著影响土壤微生物群落碳代谢功能,土壤中环丙沙星积累到该浓度可能对土壤微生物群落碳代谢功能产生难以逆转的长期影响.     

生物炭对小麦根际和根内微生物群落结构的影响

为了研究生物炭对小麦根际和根内微生物群落组成的影响,开展盆栽培养试验,利用高通量测序技术分析生物炭对小麦根内、根际和空白土壤中细菌群落结构组成的影响.结果表明,小麦根内微生物的群落多样性显著(P<0.05)低于根际和空白土壤中的微生物群落多样性,即植物根系能够过滤和筛选部分微生物在其根内定殖生长,其中,变形菌门(Pro...