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污灌农田重金属污染控制及小麦安全生产研究进展

文章来源 :退化及污染农田修复团队 作者: 发布时间: 2021-03-16 浏览量:

       农业面源和重金属污染是影响我国当前生态文明建设和实现乡村振兴战略任务的重要挑战。近年来,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所退化及污染农田修复团队杨建军课题组针对污灌农田重金属污染现状,从重金属钝化剂的筛选和改造-吸附钝化机制-应用效果进行了系统的研究,取得一系列成果。
        团队以工农业废弃物脱硫石膏和豆天蛾幼虫皮为原材料,通过改性制备成具有强吸附Cd和Pb能力的羟基磷灰石(HAP)和富磷生物炭(BWS-BC),为重金属超标农田治理提供了高效的吸附钝化剂。利用μ-XRF等技术阐明了HAP能够使Cd和Pb转化为P结合态沉淀物质,可有效降低土壤中Pb、Cd的浸出浓度,缓冲土壤pH,从而减小对地下水的威胁。利用FTIR和SEM-EDS等技术阐述了BWS-BC中的P-O键较BWS更为裸露,更有利于Pb的吸附固定;形成稳定的Pb-P、Pb-C、Pb-Si微晶是BWS与BWS-BC吸附Pb的主要机理。相关研究成果发表在JCR一区Top期刊《Journal of Hazardous Materials》 《Environmental Pollution》上。
       团队继续对HAP的应用效果进行了研究,发现HAP可显著降低小麦对Cd的吸收,并能提高土壤pH值,降低土壤中Cd的生物有效性。此外,HAP还能增加土壤中有益菌的相对丰度,促进土壤磷、氮的循环。鉴于此,团队进一步从Cd污染土壤中分离到一株重金属固定细菌Enterobacter bugandensis TJ6,发现其也能显著降低小麦根和叶对Cd和Pb的吸收。进一步分析发现菌株TJ6在Cd和Pb胁迫下能够分泌大量的生长素、甜菜碱和精氨酸,且能够提高小麦根部与DNA修复和组装以及抗氧化能力相关蛋白质的表达量,增强小麦对重金属的抗性。相关研究成果发表在JCR一区Top期刊《Journal of Hazardous Materials》 《Chemosphere》上。
       据杨建军研究员介绍,重金属超标土壤的农业利用是在我国耕地资源十分紧张,粮食和食物安全形势十分严峻前提下的一种选择。在此前提下,寻求边利用和边修复的有效途径具有重要的意义。团队研发的重金属钝化剂为污灌农田重金属污染控制及小麦安全生产提供了强有力的保障。其中涉及的原理机制研究结果为粮食的安全生产和宝贵土地资源的可持续利用提供了理论依据和实践基础。

图1羟基磷灰石阻控小麦Cd吸收机制

图2菌株TJ6阻控小麦富集Cd和Pb机制

 
       以上研究得到国家重点研发专项(2018YFD0800401,2018YFD0800305)、中国农业科学院科技创新工程项目(2018-2021)和中国博士后科学基金(2020M680775、2018M641557)的支持。

文章列表
1.Feng Ya , Yang Jianjun* , Liu Wei*, Yan Yubo, Wang Yihao. Hydroxyapatite as a passivator for safe wheat production and its impacts on soil microbial communities in a Cd-contaminated alkaline soil. Journal of Hazardous Materials, 2021, 404:124005.
2.Han Hui, Zhang Hao, Qin Shanmei, Zhang Jun, Yao Lunguang, Chen Zhaojin, Yang Jianjun *. Mechanisms of Enterobacter bugandensis TJ6 immobilization of heavy metals and inhibition of Cd and Pb uptake by wheat based on metabolomics and proteomics. Chemosphere, 2021, 276:130157.
3.Yan Yubo, Li Qiao, Yang Jianjun*, Zhou Shouyong, Wang Lianjun, Bolan Nanthi. Evaluation of hydroxyapatite derived from flue gas desulphurization gypsum on simultaneous immobilization of lead and cadmium in contaminated soil. Journal of Hazardous Materials, 2020, 400:123038.
4.Yan Yubo, Sarkar Binoy, Zhou Lei, Zhang Ling, Lie Qiao, Yang Jianjun*, Bolan Nanthi. Phosphorus-rich biochar produced through bean-worm skin waste pyrolysis enhances the adsorption of aqueous lead. Environmental Pollution, 2020, 266: 115177.
5.Yan Yubo, Zhang Ling, Wang Yihao, Wang Xiuzhang, Wang Shuyun, Li Qiao, Liu Xiaoyan, Xu Yonggang, Yang Jianjun*, Bolan Nanthi. Clanis bilineata larvae skin-derived biochars for immobilization of lead: Sorption isotherm and molecular mechanism. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135251.

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