铁铝氧化物和环境条件对大豆根吸附铜和镉的影响

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土壤溶液中的养分离子和重金属离子通过植物根系进入植物体内,植物根表的电荷特征会增加重金属离子在植物根表的活性。植物根表面存在羧基、羟基、酚羟基、氨基和磷酰基等活性官能团,一方面表面活性官能团的解离而带负电荷,可以通过静电作用吸附重金属离子,另一方面也可以作为配体与重金属离子发生络合反应。  重金属在植物根系细胞壁和细胞膜上的吸附与重金属的根际毒性及吸收密切相关。铜是以专性吸附为主的金属离子,镉主要以静电作用吸附在土壤颗粒表面。不同重金属离子在植物根表的吸附形态及丰度不同,因此不同形态重金属的生物有效性和植物毒性不同。至今很少有研究涉及重金属在完整植物根系表面吸附和形态分布的研究。因此,研究铜和镉在完整植物根表的吸附,可以加深对重金属在植物根表行为的理解。  本文主要研究了(1)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在大豆根系表面的形态分布及相对丰度;(2)探究阳离子和有机酸对Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在根系表面吸附和形态分布的影响;(3)研究铁铝氧化物粘附在植物根表对植物根表电位的影响;(4)研究铁铝氧化物粘附在植物根表对根表吸附Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的影响。  主要研究结果如下:  (1)在酸性条件下,吸附于大豆根表的铜和镉以交换态为主,其含量高于络合态和沉淀态,沉淀态含量很少。大豆根系对铜的吸附能力大于镉,导致铜的植物毒性大于镉。随pH增加,植物根表负电荷增加,导致根表吸附交换态铜和镉的含量增加。  (2)Ca2+、Mg2+和NH4+通过竞争植物根表的吸附位点降低植物根表交换态铜和镉的含量,这些阳离子对植物根表交换态镉的影响大于交换态铜,主要因为根表对铜的吸附亲和力大于镉。苹果酸和柠檬酸降低植物根表交换态和络合态铜的含量,柠檬酸降低植物根表交换态镉的含量。Ca2+、Mg2+、苹果酸和柠檬酸可以缓解铜和镉的植物毒性。  (3)铁铝氧化物能够粘附在大豆根表,氧化铝在大豆根表的吸附量高于氧化铁。随着铁铝氧化物的浓度增加,粘附量增加。铁铝氧化物在大豆根表的粘附降低了大豆根表负电荷量,氧化铝对根表电荷的影响大于氧化铁。  (4)大豆根表粘附氧化铁和氧化铝后降低了Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在根表的吸附量,氧化铝的作用更明显。铁铝氧化物可以促进大豆根表吸附的Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的解吸,氧化铝对Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)解吸的促进作用大于氧化铁。铁铝氧化物对解吸的促进作用随pH降低而增加。  大豆根表对铜和镉的吸附亲和力不同导致铜和镉的毒害作用不同。阳离子主要通过与重金属离子竞争植物根表交换位点降低根表交换态重金属的含量,有机酸与金属离子形成络合物,降低金属在根表的吸附。植物根系与铁铝氧化物发生双电层重叠作用降低大豆根表有效负电荷量,导致铜和镉在植物根表的吸附量降低,并且氧化铝作用大于氧化铁。这些发现对于理解重金属离子在根/土界面的化学行为有重要意义。
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