比较三种生物炭对土壤汞甲基化的影响开题报告

1.课题的意义、国内外研究进展、应用前景等（列出主要参考文献）

1.绪论

土壤汞污染问题是一个世界性的难题^[1-3]。近期，中国环境保护部和国土资源部颁布的调查显示，中国约有1.6 的土壤汞浓度超过国家标准^[4]。同时，在很多亚洲国家，由于土壤资源紧缺，很多受到汞污染的土壤依旧被用于农业生产活动（如水稻种植）^[5]。近期研究显示，摄食稻米已经继摄食鱼类和贝类之后成为人类对MeHg的又一重要暴露途径^[6]。然而，MeHg具有高毒性和生物富集性^[6]，并且稻米是将近40 世界人口的主要粮食^[7]，因此，有必要寻求方法来降低汞矿区稻田中MeHg的植物可利用性及稻米对其富集量。

近期，越来越多的研究者采用生物炭来降低有机物的生物可利用性及植物对其的富集量，这可能是因为生物炭具有相对较高的比表面积，对有机污染物具有较高的亲和力^[8,9]，或者是因为生物炭可以强化微生物的活动，进而促进土壤中有机污染物的降解^[10]。同时，亦有大量研究基于探索施加生物炭对土壤中金属的生物地球化学及其植物有效性的影响（例如Cd、Cu、Pb和Zn^[11-13]）。但是，施加生物炭对土壤中MeHg的植物有效性及其生物积累方面影响的研究相对空缺。根据近期的一个研究，生物炭可能含有大量的与汞具有高度亲和力的有机硫成分^[14,15]，这可能是由于生物炭在高温热解过程中硫酸盐转化而成^[14]。此外，近期的一个实验室试验表明，生物炭可以显著降低间隙水中的MeHg含量^[9]。近期的研究亦表明，施加生物炭可以降低好氧土壤中MeHg的移动性^[16]。这些研究表明，有可能利用生物炭来固定土壤中的MeHg进而降低稻田农作物对MeHg的富集。但是，生物炭降低MeHg移动性的证据尚少，潜在机理仍需进一步研究。特别地，土壤-水稻体系具有相对较低但多变的氧化还原电位（Eh，^[17]）、较高的DOM含量（由于根系分泌物引起，^[18]）、土壤中可大量生成MeHg^[18,19]、铁还原并在稻根表面形成铁膜等特征^[20]，这些过程均可能影响土壤中MeHg的生物地球化学行为。而向稻田中施加生物炭对该体系中MeHg动态（例如汞甲基化、MeHg的植物有效性以及MeHg的生物吸收）的潜在影响尚不明确。

参考文献

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2.研究的目标、内容和拟解决的关键问题

近年来稻田汞已经成为汞研究领域的一个重点话题，这可能是因为有些农作物能够大量富集汞，对人类健康产生潜在威胁^[10-13]。因此，本试验的主要目的在于探索不同秸秆生物炭入田中后对土壤中MeHg的含量及其植物有效性的影响。本试验采用玉米秸秆生物炭（以下简称为玉米生物炭）、小麦秸秆生物炭（以下简称为小麦生物炭）、棉花秸秆生物炭（以下简称为棉花生物炭）三种秸秆生物炭产物，采用硫代硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₃）萃取法^[19]对MeHg的富集量来综合评估施加不同秸秆产物后土壤中MeHg的植物有效性的变化，并且测量了硫酸盐含量以观察其与MeHg生成是否有相关性，从所得参数结合生物炭本身性质入手，比较三种生物炭抑制土壤Hg甲基化和生物有效性的不同。

3.研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

3.1实验材料

试验用土采自旬阳汞矿区（陕西省，中国）稻田，该矿区是中国最大的汞矿区之一。土壤经风干、研磨、过2毫米筛，备用。玉米、小麦和棉花的三种秸秆采集于上海市华东师范大学中山北路校区生物站。玉米生物炭（cn bio）制作过程如下：秸秆研磨过筛（粒径4-30目）；在通风橱加入秸秆，加入磷酸，与秸秆质量比为21；放入坩埚，在烘箱中150℃干燥2h，再移至马弗炉10℃/min梯度升温至450℃,维持1h后取出，冷却；将生物炭加入到80℃水中（约200-400ML），搅拌均匀后，加热至冒泡，继续加热15min，过滤；再加入相同量的水中清洗，以后的每次清洗煮沸10min即可，清洗至滤液pH为5-7（七遍左右）；将洗净的生物炭放入烘箱150-200℃烘干6-8h，研磨过筛。小麦生物炭（wheat bio）、棉花生物炭（cotton bio）制作方法除不加磷酸，并且升温至600℃外，与玉米生物炭类似。

3.2土壤培养

为了充分模拟稻田内加入生物炭的情况，不同的秸秆生物炭（玉米生物炭、小麦生物炭和棉花生物炭）分别以1/100（w/w）的比例加入土壤，置于50mL聚丙烯离心

3.研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

管中，并加入去离子水。1 的添加比例符合之前相关报道的添加比例。试验一共4个处理组，每组三个平行，分别培养7天（7D）、14天（14D）。

所有离心管用锡箔纸包住，并置于人工气候箱内培养7天、14天（温度：25^oC，相对湿度：70）。每天摇晃离心管，以保证土壤和生物炭混合均匀。试验过程中，分别在第7、14天，将样品取出并测量pH、Eh、上覆水和土壤MeHg浓度、土壤MeHg萃取效率（采用(NH₄)₂S₂O₃萃取法）和硫酸盐浓度，具体萃取步骤见1.3。MeHg的萃取效率计算公式为：上清液中MeHg量/（上清液中MeHg量 残余物中MeHg量）100。萃取过程的回收率计算公式为：（上清液中MeHg量 残余物中MeHg量）/萃取前土壤中MeHg总量100，该回收率为62.78-110.66。

3.3分析方法和质量控制

(NH₄)₂S₂O₃萃取法近期已被证实能够用以预测稻米对土壤中MeHg的富集[ ]，本研究采用此法来评估土壤中的MeHg的植物有效性，(NH₄)₂S₂O₃萃取步骤如下：土壤与(NH₄)₂S₂O₃溶液（2 g/L）以2.5 mL/g（溶液体积/土壤干重）比例混合于15 mL离心管中，置于恒温振荡器中培养12 h（280 rpm，25 ℃）。取出离心15 min（4000 rpm），上清液和沉淀物分别取出备用，待测MeHg。

土壤及液体样品中的MeHg浓度采用美国Brooks R MERX 全自动甲基汞分析仪进行测定，其检测限为0.05 ng/g。该过程参照美国EPA方法1630，目前已经被广泛用于土壤和沉积物中的MeHg浓度的测定。具体的消解及测定步骤如下：取适量样品于15 mL离心管中，加入2 mL KOH-CH₃OH溶液（25，w/w），涡旋均匀后于恒温振荡器中培养4 h（250 rpm，60℃），取出并冷却至室温，然后定容至10 mL，离心15 min（4000 rpm，25^oC），上清液取出备用。往40 mL棕色安瓿瓶中添加去离子水约36 mL，然后加入500 μL柠檬酸钠缓冲溶液，加入适量上述离心后的上清液，定容至液面与瓶口齐平，最后加入50 μL乙基化试剂，旋紧瓶盖，摇匀后上机测量。沉积物标准物质ERM-CC580与同批样品采取同样操作，其回收率为62.25-68.64。

用方法空白、试剂空白、重复分析、基质加标及标准物质分析对MeHg测试进行质量控制。在处理过程中的所有操作（如风干、过滤等）造成的MeHg损失可忽略不计。

研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

3.4技术路线

5.研究计划及预期进展

2018.1.15制定实验方案；

2018.3.19土壤-生物炭混合培养样品制备（24份）；

2018.3.19-3.26，4.2样品分别培养七天（12份）、十四天（12份）；

2018.3.27，4.3水土分离，制备上覆水水样（24份）和土样（分别取两份土样，一份测量总汞，一份做硫代硫酸铵萃取，共48份），厌氧环境测量pH、EH，计算含水率；

2018.4.9 玉米、小麦、棉花生物炭性质（pH）测量;

2018.4.10硫代硫酸钠萃取土样，得到上清液（24份）和残余物（24份）；消解土样、硫代硫酸萃取后上清液和残余物甲基汞待测样（72份）；上覆水水样中甲基汞分析；

2018.4.15 测量硫代硫酸钠萃取上清液、残余物甲基汞，培养后土样总甲基汞；

2018.4.17 上覆水水样硫酸盐含量；

2018.4.13-5.1撰写初稿报告；

2018.5.1-5.7修改论文并完成终稿。