利用重金属铅示踪磷元素在土壤中的运移研究开题报告

全文总字数：5493字

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

磷（p）是一种极其重要的化学元素，它一直是生物、医学和环境领域的研究热点。与碳、氮不同，p是一种必需的营养素，并且通常供不应求[1]。据估计，大陆土壤/生物群落系统中，约有122,600 tg的磷，其中近98％以各种形式存在于土壤中[2]。自然界中磷循环的基本过程是：岩石和土壤中的磷酸盐由于风化和淋溶作用进入河流，然后输入海洋并沉积于海底，直到地质活动使它们暴露于水面，再次参加循环，这一过程中，几乎不存在p的气体状态。这一循环需上万年才能完成[3]。磷的重要性体现在：它是农业中磷肥的元素来源，是生物体内有机和无机质的主要组成元素之一，同时一种良好的环境修复材料——磷灰石，是自然界中的最主要含磷矿物[4, 5]。磷灰石构成了磷的巨大储备库，含磷灰石岩石的风化，将大量磷酸盐转交给了陆地上的生态系统。并且与水循环同时发生的是，大量磷酸盐被淋洗并被带入海洋。在海洋中，它们使近海岸水中的磷含量增加，并供给浮游生物及其消费者的需要[6]。 磷在生态系统中的重要性显而易见，因此对磷元素的示踪也显得极其重要，目前普遍使用的技术是磷同位素（³²p/³³p）示踪技术，该方法从标记到测量等环节都已发展较为成熟，但是p素过短的半衰期限制了其在生态系统中长期追踪p循环过程的研究，且该方法只能在室内模拟条件下应用，价格昂贵，无法在野外研究普及。然而，磷灰石矿物相对稳定，在所有磷灰石族矿物中，地质氟磷灰石[ca₁₀(po₄)₆f₂]（fap）是迄今为止地壳中最丰富的，也是常见典型磷灰石中最稳定的形式[7, 8]。从骨粉中收集的生物磷灰石[ca₁₀(po₄)₆(oh)₂]（bap）是一种多羟基磷灰石，它具有比最常见的氟基磷灰石更高的溶解度，并且在固定重金属方面有显著的效果[9]。基于磷灰石的开放结构，多种化学替代可以发生，元素周期表里一半以上的元素都可以出现在其矿物结构里，比如磷灰石中的钙极易被重金属（如铅pb）替代。根据这一特点，本次实验设计了一种利用重金属pb示踪磷灰石中p元素在土壤中的运移情况的方案。研究表明，土壤中的解磷微生物（phosphate-solubilizing microbes，psms）分泌的草酸等弱酸可以促进难解磷灰石的溶解，增强了对pb的耦合固定，即生物成因，是本次研究拓展的思路。 hydrus是美国盐土实验室开发的系列软件，用于分析可变饱和多孔介质中的水和溶质的运输。hydrus-1d可用于模拟可变饱和介质中水、热和多种溶质的运动[10]，该模型作为元素示踪的模型，能够较好地模拟土壤中水分、溶质与能量的分布情况，以及分析倍受人们关注的农田灌概、田间施肥以及环境污染等现实问题。因此，本次实验在实验室土壤培养的基础上，加入了hydrus模拟p和pb的元素运移，更好地说明了磷灰石耦合pb之后在土壤中的运动。

本次实验将为生态学、地球化学循环、土壤学等领域研究土壤p元素的长期循环、流向和示踪提供新的解决思路。

2. 研究的基本内容和问题

对于生态系统中极其重要的p元素的研究，一直是生态学研究的热点，但土壤中的p是一种移动性非常低的元素，想要更好地了解p元素在农田、地下水、河流中的行为和运动，就需要一种更为有效的示踪p元素的方法。

铅 (pb) 是地球上最常见的重金属元素之一，pb的固定和矿化是矿物岩石学中一个重要的研究领域。

磷灰石极易富集pb，被认为是固定pb的理想材料（原理见反应式1和2）。

3. 研究的方法与方案

论文的研究方法是实验法。实验中有空白组和实验组，空白组为只含铅的土壤，实验组有三种处理，第一个实验组是含铅土壤 磷灰石（FAp或BAp），命名为TFAp和TBAP；第二个实验组为含铅土壤 磷灰石（FAp或BAp） 草酸（OA），命名为FAp OA和BAp OA；第三个实验组的处理为含铅土壤 磷灰石（FAp），并在土壤中混合菌肥，菌种是黑曲霉（A.niger），命名为FAp A.niger。空白组和实验组均设置有3个重复。将含铅的土壤（50g）放置在50mL针筒中，土壤含铅量为2000 mg/kg，一、二实验组土壤的表层覆盖1g磷灰石（FAp或BAp），空白组和一实验组浇水20天（20mL/天）；二实验组每五天浇一次OA溶液（20mL），其他浇水条件与TFAp和TBAp组相同；三实验组的含铅土壤混合菌肥后培养于呼吸瓶中，表层覆盖1g氟基磷灰石（FAp），保持土壤湿润和25摄氏度恒温的条件30天。实验阶段结束后，土壤样品使用TCLP（毒性特征浸出法）浸提各元素，使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定了浸提液中铅的浓度，Pb校正曲线为 1、2.5、5、10、25和50 mg/L，内标曲线的R²值为0.999。再取少量未处理土壤样品通过SEM-EDX显微技术探测元素分布：使用SEM-EDX图谱观察元素分布的差异。在 FEI Quanta 200 FEI系统中进行SEM，加速电压为15-20 kV。半定量分析（收集时间：90秒）在INCA X-act色谱仪（OxfordInstruments Inc.）中进行。之后，以相同的条件，在Hydrus-1D软件中模拟土壤淋滤过程中P元素和Pb的运移情况。美国农业部盐渍土实验室开发的Hydrus-1D软件，可对一维饱和-非饱和土壤中水、热及溶质运移进行数值模拟。Hydrus-1D应用广泛，具有良好的适用性，在土壤、地下水、农田是水循环等多个方面都有广泛应用。最后，将数据整合，完成论文。

实验的必要性：P元素的示踪是很困难的，因此寻找一种简单可行的示踪手段是必要的。实验设计的可行性：本次研究的实验方案是根据实验室先前的实验结果设计的，有较多文献支撑，是科学的、合理的，也是可行的。技术的可行性：本次实验预计用到的技术、仪器、药品、试样以及模型实验室都可以满足，且有足够的资金支持。风险因素可行性：本次实验存在的风险较低。综上，这次实验的内容是科学的、必要的，具有较强的操作性和实践性，有较多的理论依据和文献支撑，是一次严谨可行的科学研究。

4. 研究创新点

本次研究的特色在于使用重金属Pb来寻找一种新的P示踪的可能。以往的技术手段多数为P的同位素示踪，但其局限性大，应用范围不够普及。利用Pb的示踪技术可以用于追踪P元素长期的运移变化，这与P在自然界中运移缓慢、形态变化少的特点相契合。此外，将Hydrus-1D模型应用于土壤淋滤中模拟分析P、Pb的运移变化也是本次研究的特色之一。利用软件模拟后，可以了解在土壤中P和Pb的运动轨迹，为Pb示踪P元素提供了理论基础。

本次研究的创新之处在于：磷灰石的溶解度较低，磷灰石与Pb耦合的限制因子是磷灰石的溶解过程。借助微生物来促进磷灰石的溶解是一条可行的路径。因此本次实验中引入了土壤生物圈中广泛分布着的解磷微生物（PSMs）中解磷真菌（PSF）中的一种，黑曲霉（A.niger）。基于加入草酸能使磷灰石耦合铅的效果显著增加的研究结果，并根据PSMs的解磷途径，使用黑曲霉分泌的有机酸促进磷酸盐溶解，进一步研究PSMs驱动下磷灰石对Pb的耦合，可以为土壤中P元素与Pb固定的成矿机制提供理论基础。

5. 研究计划与进展

研究计划：

2018.9，根据实验室已有技术和研究成果，确定研究方向，即使用重金属pb示踪土壤元素p，与指导教师讨论实验方案可行性，确定实验组处理参数等，制定试验计划，准备试样和材料，熟悉实验室仪器设备；

2018.10-11，开始实施实验计划，将准备好的土样放入针筒和呼吸瓶，并将其他实验材料按实验方案配制，设置各个处理的重复，开始培养土样之后的30天内，保持菌肥土壤的湿度和温度，其他土壤按照实验方案浇水；