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不同水稻土中铁的微生物还原特征

杨春

  自然环境中,氧化铁的还原主要是由微生物引起的,其中,异化铁还原作用则是微生物还原氧化铁的主要途径。由于该过程中Fe(Ⅲ)的还原与微生物体内基质的氧化相偶联,因此Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)的过程可以促进环境中有机物的降解,而Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)的结果,又可导致土壤环境许多属性的改变。因此,该过程愈来愈被人们所重视。研究异化铁还原作用的环境学意义已成为当今土壤环境化学的热点问题。本文选用铁的氧化还原周期性发生的水稻土为材料,采用室内淹水密闭恒温培养的方法,对国内七个不同地区水稻土中氧化铁微生物还原特征进行了研究,旨在了解我国不同地区水稻土中氧化铁还原的特征、规律和还原潜势,为更深入地研究该过程及其环境意义提供科学依据。七个水稻土样分别采自陕西、吉林、四川、湖南、江西、浙江和广西等省区。所得主要结论如下:(1)在培养过程中,各水稻土样中Fe(Ⅱ)及可浸提总铁FeT浓度随时间变化的曲线均呈“S”形,具有明显的阶段性特征。根据Fe(Ⅱ)浓度变化的特点,可将水稻土中氧化铁的还原反应划分为启动期、快速期、减速期和稳定期四个阶段。其中,快速期内产生的Fe(Ⅱ)量可占反应总还原量的80%左右,而减速期内产生的Fe(Ⅱ)量只占总还原量的20%左右;土样中可浸提Fe(Ⅲ)在反应进入减速期时就已经检测不出,其时间大体上与快速期向减速期转变的时间一致,表明快速期内还原的是较易溶的Fe(Ⅲ),而减速期内还原的是相对难溶的Fe(Ⅲ)。(2)不同土样之间,氧化铁还原反应产生的Fe(Ⅱ)的最终浓度差别很大,变化范围为1700-8300 mgFe/kg土,其大小顺序在各温度下都是:吉林土>普集土>湖南土>四川土>浙江土>江西土>广西土。最终Fe(Ⅱ)浓度都小于土样游离氧化铁含量而大于土样无定形氧化铁含量,并与土样无定形氧化铁含量呈极显著相关,与土样游离氧化铁、粘粒、有机质等含量以及土样pH值无显著相关性。这表明在培养过程中被还原的主要是无定形氧化铁和其它一些活性与无定形氧化铁相近的氧化铁。在七个土样中,吉林和普集两个北方水稻土样的铁还原反应最终的Fe(Ⅱ)的浓度都大于其余五个南方水稻土样,表明北方水稻土中活性较高的氧化铁的含量较南方水稻土高一些。(3)升高温度,使铁还原反应的各个阶段都缩短,其中尤其使反应的启动期和快速期缩短的程度较大。高温下,铁还原反应速率增大,在反应快速期,温度每升高10℃,速率增大2-4倍。升高温度,各土样中铁的还原量增大。(4)利用多种动力学模型(17个)对水稻土中氧化铁微生物还原反应的动力学特征进行了研究。结果表明,不同温度下、不同土样间,氧化铁还原反应所适用的最优动力学模型不尽相同,反映了温度和土壤性质对铁还原规律的影响。就总体而言,一级动力学模型ln(1-C/Cmax)=A+Bt对三种温度下大多数水稻土样是较优模型。(5)应用过渡态理论计算出水稻土中氧化铁微生物还原反应的活化能为:吉林水稻土(261.4kJ/mol)>普集水稻土(154.7kJ/mol)>湖南水稻土(144.8kJ/mol)>江西水稻土(135.3kJ/mol)>四川水稻土(135.3kJ/mol)>浙江水稻土(80.8kJ/mol),表明两种北方水稻土中Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)需要克服的能障大于其它五种南方水稻土。(6)土壤经湿热灭菌以后,氧化铁几乎不再发生还原,这进一步证实了微生物在土壤氧化铁还原中起主导作用。在灭菌加热过程中,部分氧化铁能以化学方式被还原,还原产生的Fe(Ⅱ)浓度大小顺序为:吉林土>四川土>普集土>湖南土>浙江土>江西土>广西土,并与土样无定形氧化铁含量呈显著线性相关。但在平常条件下,土壤氧化铁的化学还原作用是微弱的,而微生物还原方式是主要的。灭菌加热过程会引起土壤中部分氧化铁的老化,加热时间越长,老化量越大。老化了的氧化铁在以后的无菌培养过程中可部分地但不能全部地被活化。……   
[关键词]:水稻土;恒温培养;铁还原;反应动力学
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:西北农林科技大学2001年
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