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南京土壤所在稻田上覆水自由基過程及其環境效應研究方面取得進展

2022-03-14 分享到:

水稻是全球約一半人的主食,也是全球種植最廣泛的作物之一。稻田上覆水在自然光照下可能產生一系列的活性物質并促進污染物的轉化,然而其產生機制尚不清楚。

基于此,中國科學院南京土壤研究所研究員王玉軍團隊研究了水稻不同生長期稻田上覆水的光化學過程,發現三重激發態溶解性有機物(3DOM*)、單線態氧(1O2)和羥基自由基(.OH)是主要的活性物質(RIs),且1O2的表觀光量子產率遠高于一般地表水的值。深入研究發現,DOM的性質和亞硝酸鹽的濃度是影響RIs生成的關鍵調控因子,.OH主要產生于亞硝酸鹽和DOM在光照下的電子轉移,而3DOM*1O2主要來源于光照DOM引發的系間竄躍和能量傳遞。采用超高分辨質譜對DOM性質進行了分子層面的表征分析,發現相對分子量小、芳構化程度低和飽和度高的DOM能夠產生更多的RIs,而DOM中的酚類物質則抑制了RIs的生成。

稻田常用改良劑可能會改變上覆水的化學性質,進而影響上覆水中光活性物質的產生。秸稈和石灰的施用分別使 RIs 穩態濃度提高了 16.8 倍和 11.1 倍,而添加生物炭的影響有限。通過三維熒光光譜和超高分辨質譜分析,結合結構方程模型表明,在添加秸稈和石灰改良劑后,由于秸稈腐解和土壤有機質的溶出,上覆水中DOM濃度顯著上升,且DOM中腐殖類物質大量增加,在光照下產生了更多的 RIs。

上覆水形成的RIs對污染物的非生物具有重要的貢獻,產生的RIs顯著促進了稻田生態系統中三價砷(As(III))的氧化,而3DOM*.OH則是As(III)氧化的驅動因子。此外,RIs也會影響有機污染的降解過程,改良劑的施用顯著地加快了 2,4-二氯苯酚(農藥24D的水解/代謝產物)的降解速率,不同RIs對污染物降解路徑差異顯著,降解中間產物毒性差異較大,.OH介導的脫氯產物毒性大大降低,而3DOM*介導的二聚產物毒性增強。

研究成果闡明了稻田上覆水中光致活性物質的產生機制,為理解稻田生態系統污染物的非生物轉化提供了新的思路。以上研究結果分別在期刊Water Research和Environmental Science & Technology上發表,上述研究得到了國家自然科學基金重點項目和優秀青年基金的資助。

論文鏈接:1,2

稻田上覆水中光活性物質的產生機制

改良措施對稻田上覆水中光活性物質生成過程的影響

 

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