专栏名称: Carbon Research

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中国科学院地球化学研究所王建旭等发表 ES&T：喀斯特区域污染土壤中砷的活化与转化规律

Carbon Research · 公众号 · · 2024-10-11 00:00

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喀斯特区域污染土壤中砷的活化与转化规律

First Insight into the Mobilization and Sequestration of Arsenic in a Karstic Soil during Redox Changes

来源

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First Insight into the Mobilization and Sequestration of Arsenic in a Karstic Soil during Redox Changes.pdf

赞助基金项目

德国亚历山大洪堡基金会 No: ref 3.5-1186537-CHN-HFST-P 等资助

作者

王建旭 （第一/通讯作者）： 中国科学院地球化学研究所研究员。 2007 年毕业于西北农林科技大学，获农学学士学位， 2013 年毕业于中国科学院地球化学研究所，获环境科学与工程博士学位。 2018 年 1 月至 2019 年 12 月在德国伍珀塔尔大学从事博士后研究工作。主要从事喀斯特区域有毒元素（汞、砷和镉等）的生物地球化学行为与污染控制等研究。曾获得中国科学院院长特别奖、香江学者奖、洪堡学者奖、侯德封矿物岩石地球化学青年科学家奖等荣誉称号。曾主持国家自然科学基金委优秀青年基金、面上、青年基金，人社部，中国科学院，贵州省等项目 10 余项。以第一 / 通讯作者在 ES&T 、 JHM 、 EI 等 SCI 期刊发表学术论文 28 篇。

文章亮点

喀斯特区域污染土壤中砷主要以 As(V) 形态存在并被铁氧化物等固定；
还原环境下水铁矿和碳酸钙的还原 / 酸化溶解导致了砷的活化，被活化的砷以 As(III) 的形态存在；
水铁矿经重结晶形成的针铁矿将大部分被活化的 As(III) 固定；
氧化条件下形成的无定形铁氧化物固定土壤溶液中溶解态砷，降低砷的移动性。

文章摘要

喀斯特地貌为地球上约 25% 的人口提供饮用水，尤其是在我国西南部。土壤中的重（类）金属如砷（ As ）等污染物可通过喀斯特地貌中的落水洞和基岩裂隙渗入地下水。目前，针对喀斯特区域土壤砷的活化、转化和释放机制仍不清楚。本研究中，利用多种基于同步辐射的光谱分析技术，探索了在模拟自然环境中的氧化还原条件下，喀斯特土壤中砷的活化和转化规律。结果表明，土壤中的砷主要以 As(V) 形态存在，主要与铁（氧氢）氧化物结合在一起。在低 Eh 值（≤ -100 mV ）下，溶解态砷的浓度较高（ 294 μ M ），且主要以 As(III) 形态赋存（约 95% ），表明在还原条件下砷的迁移风险较高。铁矿物和碳酸钙的还原 / 酸化溶解促进了 As(V) 的释放和还原。在高 Eh 值（≥ +100 mV ）下，溶解态砷的浓度较低（ 17.0 μ M ），且主要以 As(V) 形态为主（约 68% ），这可能是由于 As(III) 被重结晶的铁矿物氧化和 / 或固定所致。本研究表明，铁相和非铁相中 As(V) 的还原释放以及铁矿物的重结晶共同作用于控制喀斯特环境中土壤砷的活化与转化。

要点图例

图1 土壤液相中总砷、As(V)、As(III)以及溶解态铁浓度随Eh值变化的动态变化特征。每个误差条上方的饼图表示土壤液相中As(V)和As(III)所占比例

图2 E _h 分别为-300 mV、0 mV和+300 mV时土壤溶液中胶体的环境扫描电子显微镜（ESEM）图像，以及硅（Si）、钙（Ca）、铜（Cu）、锰（Mn）、铁（Fe）、砷（As）、铝（Al）和硫（S）的ESEM-能量分散光谱（EDS）图像。白色虚线圆圈指示了Fe和As具有相似分布特征。

图 3 (a) 原土和不同Eh条件下土壤中的砷K边XANES光谱；(b) 原土和不同Eh条件下土壤中的铁K边XANES光谱；(c) 原土和不同Eh条件下土壤中的硫K边XANES光谱；图谱上标注的百分比表示不同形态砷（As）、铁（Fe）和硫（S）所占比例；Go代表针铁矿（Goethite），Fh代表水铁矿（Ferrihydrite）；在(a)、(b)和(c)中，实线代表土壤和标准品的光谱，而灰色或绿色虚线代表线性组合拟合曲线。

文章结论

在厌氧条件下，铁氧化物的还原溶解和方解石的酸性溶解都会释放与之结合的 As(V) ，随后 As(V) 被还原为 As(III) ；
大部分被活化的 As(III) 被再结晶的铁氧化物（如针铁矿）所固定，水铁矿再结晶为更稳定的铁 (III) 氧化物（如针铁矿）似乎是喀斯特土壤中 As(III) 固定的重要机制。；
尽管大多数 As(III) 被铁相所固定，但仍有部分 As(III) 进入土壤液相。在低 Eh 环境下（ -300 mV 至 -100 mV ）下，溶解的 As(III) 浓度达到 14.4 ～ 22.7 mg/L ，超出了世界卫生组织规定的饮用水最大允许 As 浓度，因此砷污染风险不同不容忽视；
研究成果对喀斯特区域砷污染土壤风险管控具有一定的指导意义，例如调整土地利用方式，避免种植水稻等。