地理资源所陆地生态系统砷富集与转化行为研究

来源:http://www.020tL.com 作者:新闻中心 人气:189 发布时间:2019-09-22
摘要:砷是环境中普遍存在且生物毒性很强的元素之一。研究表明,砷的毒性不仅与总量有关,更取决于其化学形态特征。但长期以来,砷在生物体中的高级形态,如砷甜菜碱和砷胆碱,其来

砷是环境中普遍存在且生物毒性很强的元素之一。研究表明,砷的毒性不仅与总量有关,更取决于其化学形态特征。但长期以来,砷在生物体中的高级形态,如砷甜菜碱和砷胆碱,其来源及功能在很大程度上仍是一个谜。在陆地生态系统中,土壤中的砷通过根系进入到植物体中,最终以凋落物形式分解释放重新回到土壤中,而土壤动物则可以吸收土壤和凋落物中的砷。植物和土壤动物位于陆地生态系统食物链的底部,是食物链顶端高营养级生物,如鸟类的潜在食物来源,因此对土壤-植物-凋落物-土壤动物-高营养级生物的砷循环研究具有重要意义。然而,目前研究大多仅关注土壤-植物,或土壤-土壤动物系统等,对陆地生态系统生物链尚无全面系统的研究。

砷是环境中普遍存在且生物毒性很强的元素之一。研究表明,砷的毒性不仅与总量有关,更取决于其化学形态特征。但长期以来,砷在生物体中的高级形态,如砷甜菜碱和砷胆碱,其来源及功能在很大程度上仍是一个谜。

砷是环境中普遍存在且生物毒性很强的元素之一。研究表明,砷的毒性不仅与总量有关,更取决于其化学形态特征。但长期以来,砷在生物体中的高级形态,如砷甜菜碱和砷胆碱,其来源及其功能在很大程度上仍然是一个谜。在陆地生态系统中,土壤中的砷通过根系进入到植物体中,最终以凋落物形式分解释放重新回到土壤中,而土壤动物则可以吸收土壤和凋落物中的砷。植物和土壤动物位于陆地生态系统食物链的底部,是食物链顶端高营养级生物,如鸟类的潜在食物来源,因此对土壤-植物-凋落物-土壤动物-高营养级生物的砷循环研究具有重要意义。然而,目前的研究大多仅仅关注土壤-植物,或土壤-土壤动物系统等,对陆地生态系统生物链尚无全面系统的研究。

植被在全球大气汞的循环以及汞在陆地食物链的传输“扮演”着重要角色。大气气态单质汞能被叶片同化进而富集在叶片中。叶片中的汞主要有以下两种归趋:一方面,汞被叶片重新释放而进入大气。另一方面,汞被氧化固定在植物组织中并通过食物链进入动物或者人体内,或者随着凋落物进入土壤圈。因此,研究植物叶片中汞的化学形态对准确评估植被在全球大气汞循环中扮演的具体“角色”、汞在食物链传输引起的环境风险以及汞进入土壤圈后对土壤生态系统的干扰十分关键。

石门雄黄矿作为亚洲最大的砷矿,具有1500多年的开采历史,地表环境与生物介质富集砷,是开展此类研究的理想地区。中国科学院地理科学与资源研究所韦朝阳课题组通过对石门雄黄矿区多介质采样,室内结合高效液相色谱-等离子质谱和同步辐射X射线吸收精细能谱分析技术与方法,初步揭示砷在陆地生态系统食物链中的富集与转化过程。

在陆地生态系统中,土壤中的砷通过根系进入到植物体中,最终以凋落物形式分解释放重新回到土壤中,而土壤动物则可以吸收土壤和凋落物中的砷。植物和土壤动物位于陆地生态系统食物链的底部,是食物链顶端高营养级生物,如鸟类的潜在食物来源,因此对土壤-植物-凋落物-土壤动物-高营养级生物的砷循环研究具有重要意义。然而,目前研究大多仅关注土壤-植物,或土壤-土壤动物系统等,对陆地生态系统生物链尚无全面系统的研究。

石门雄黄矿作为亚洲最大的砷矿,具有1500多年的开采历史,地表环境与生物介质富集砷,是开展此类研究的理想地区。博士研究生杨芬通过对石门雄黄矿区多介质采样,室内结合高效液相色谱-等离子质谱和同步辐射X射线吸收精细能谱分析技术与方法,初步揭示了砷在陆地生态系统食物链中的富集与转化过程。

利用传统的基于同步辐射技术的X-射线近边吸收谱技术是研究环境介质中汞的化学形态的常用方法(Wang JX et al.,2012.ES&T,5361-5368),但是该方法很难准确测定低汞含量样品中的汞的化学形态。同样,基于质谱和色谱联用技术比如ICP-MS-HPLC等对样品中汞的含量及样品的基质都有比较高的要求(Krupp EM et al.,2009.Chem Comm,4257-4259)。

研究发现,即使已闭矿15年,该矿区仍存在显著的砷富集,砷污染区中土壤砷含量为61-2224mg/kg,远高于非污染区(8.55-23.75mg/kg);不同介质中的砷含量基本表现为:土壤”蚯蚓”植物和凋落物;随着土壤中砷含量的增加,生物体内砷含量也相应不同程度地增加。土壤中的砷基本为无机砷,五价砷的比例”98%。植物和凋落物中的砷形态基本一致,主要为无机砷,并含有少量的有机砷,如二甲基砷,一甲基砷等。部分植物中三价无机砷为主要的砷形态,说明植物从土壤中吸收As,并在体内还原为As。而蚯蚓中的砷除无机砷外,仅含有少量的AsB。土壤、植物和凋落物中基本不含有AsB,由此推断蚯蚓体内AsB主要来自于蚯蚓自身对砷的转化作用。另外,对矿区高营养级生物鸟类,包括麻雀、白头翁、画眉和喜鹊的分析发现,鸟类肌肉中的砷含量范围为1.13-4.95mg/kg,砷形态主要为DMA、As和As,此外含有少量的AsC和AsB。鸟类羽毛可作为反映周围环境污染的标志物,其砷含量最高可达51.65mg/kg,而其主要的砷形态为无机砷。与其他同类研究相比,该研究中鸟类肌肉和羽毛中的砷含量明显偏高,说明矿区长期的砷污染会导致鸟类很大程度的砷富集。以上研究成果为揭示砷在陆地生态系统中富集和转化特征,阐明陆地生物和食物链中有机砷的组成与来源,以及砷的生态与健康风险评估和污染环境环境修复提供了有价值的数据和信息。

石门雄黄矿作为亚洲最大的砷矿,具有1500多年的开采历史,地表环境与生物介质富集砷,是开展此类研究的理想地区。中国科学院地理科学与资源研究所韦朝阳课题组通过对石门雄黄矿区多介质采样,室内结合高效液相色谱-等离子质谱和同步辐射X射线吸收精细能谱分析技术与方法,初步揭示砷在陆地生态系统食物链中的富集与转化过程。

研究发现,即使已闭矿15年,该矿区仍存在显著的砷富集,砷污染区中土壤砷含量为61-2224 mg/kg,远高于非污染区;不同介质中的砷含量基本表现为:土壤>蚯蚓>植物和凋落物;随着土壤中砷含量的增加,生物体内砷含量也相应不同程度地增加。土壤中的砷基本为无机砷,五价砷的比例>98%。植物和凋落物中的砷形态基本一致,主要为无机砷,并含有少量的有机砷,如二甲基砷,一甲基砷等。部分植物中三价无机砷为主要的砷形态,说明植物从土壤中吸收As,并在体内还原为As。而蚯蚓中的砷除无机砷外,仅含有少量的AsB。土壤、植物和凋落物中基本不含有AsB,由此推断蚯蚓体内AsB主要来自于蚯蚓自身对砷的转化作用。另外,对矿区高营养级生物鸟类,包括麻雀、白头翁、画眉和喜鹊的分析发现,鸟类肌肉中的砷含量范围为1.13-4.95 mg/kg,砷形态主要为DMA、As和As,此外还含有少量的AsC和 AsB。鸟类羽毛可作为反映周围环境污染的标志物,其砷含量最高可达51.65 mg/kg,而其主要的砷形态为无机砷。与其他同类研究相比,本研究中鸟类肌肉和羽毛中的砷含量明显偏高,说明矿区长期的砷污染也会导致鸟类很大程度的砷富集。以上成果为揭示砷在陆地生态系统中富集和转化特征,阐明陆地生物和食物链中有机砷的组成与来源,以及砷的生态与健康风险评估和污染环境环境修复提供了有价值的数据和信息。

中国科学院地球化学研究所环境室冯新斌课题组与法国UniversitéGrenoble Alpes地球科学研究中心教授Alain Manceau合作,在法国EcoX Equipex项目(法国卓越基础科学装置计划)和中科院国际合作项目(QYZDJ-SSW-DQC005)支持下,率先在国际上利用高能量分辨率X-射线近边吸收谱技术分析了天然低汞植物叶片中汞的化学形态。

研究工作得到国家自然科学基金“砷矿区食物链中砷的生物富集与转化特征”和北京同步辐射装置科研课题的资助。

研究发现,即使已闭矿15年,该矿区仍存在显著的砷富集,砷污染区中土壤砷含量为61-2224mg/kg,远高于非污染区(8.55-23.75mg/kg);不同介质中的砷含量基本表现为:土壤>蚯蚓>植物和凋落物;随着土壤中砷含量的增加,生物体内砷含量也相应不同程度地增加。

该研究得到国家自然科学基金“砷矿区食物链中砷的生物富集与转化特征”和北京同步辐射装置科研课题的资助。

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土壤中的砷基本为无机砷,五价砷的比例>98%。植物和凋落物中的砷形态基本一致,主要为无机砷,并含有少量的有机砷,如二甲基砷,一甲基砷等。部分植物中三价无机砷为主要的砷形态,说明植物从土壤中吸收As,并在体内还原为As。而蚯蚓中的砷除无机砷外,仅含有少量的AsB。土壤、植物和凋落物中基本不含有AsB,由此推断蚯蚓体内AsB主要来自于蚯蚓自身对砷的转化作用。

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另外,对矿区高营养级生物鸟类,包括麻雀、白头翁、画眉和喜鹊的分析发现,鸟类肌肉中的砷含量范围为1.13-4.95mg/kg,砷形态主要为DMA、As和As,此外含有少量的AsC和AsB。鸟类羽毛可作为反映周围环境污染的标志物,其砷含量最高可达51.65mg/kg,而其主要的砷形态为无机砷。

Yang Fen, Xie Shaowen, Wei Chaoyang, et al. Arsenic characteristics in the terrestrial environment in the vicinity of the Shimen realgar mine, China. Science of the Total Environment, 2018,626:77-86.

与其他同类研究相比,该研究中鸟类肌肉和羽毛中的砷含量明显偏高,说明矿区长期的砷污染会导致鸟类很大程度的砷富集。以上研究成果为揭示砷在陆地生态系统中富集和转化特征,阐明陆地生物和食物链中有机砷的组成与来源,以及砷的生态与健康风险评估和污染环境环境修复提供了有价值的数据和信息。

Yang Fen, Xie Shaowen, Liu Jinxin, Wei Chaoyang, et al. Arsenic concentrations and speciation in wild birds from an abandoned realgar mine in China. Chemosphere, 2018,193:777-784.

研究工作得到国家自然科学基金“砷矿区食物链中砷的生物富集与转化特征”和北京同步辐射装置科研课题的资助。

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