秸秆还田的秘密——西华师大任东团队揭示有机污染物光降解调控机制 |前沿用户报道

背景介绍及研究成果

秸秆还田是把秸秆直接或堆积腐熟后施入土壤中的一种农业管理措施，这样既可以避免秸秆焚烧造成污染，又可以增肥增产，因此在全 球范围内被广泛使用。现在，我们所知道的是，秸秆还田会使大量溶解性有机质（DOM）在短期进入农田中，直接影响农田水体环境中有机污染物光降解过程。此外，近期的研究表明，秸秆来源的 DOM 中含有光化学活性和惰性组分，也可通过改变土壤溶解有机质（WSOM）间接影响有机污染物的光降解过程。然而，两种途径对有机污染物光降解的调控作用及其机制均不明确，是秸秆还田背景下农田有机污染物的光化学行为及风险评估领域亟待填补的空白。

基于此背景，西华师范大学环境科学与工程学院任东课题组以水稻秸秆为代表展开研究，发现秸秆还田时，DOM一方面通过光生羟基、单线态氧和三线态 DOM 氧化调控有机污染物光降解过程，另一方面通过影响WSOM含量调控有机污染物光降解。相关研究成果发表在Journalof Hazardous Materials,Scienceof The Total Environment 等期刊上。

实验过程

（1）以水稻秸秆 DOM 为代表，选取敌草隆（DIU）、17β-雌二醇（E2）和磺胺甲恶唑（SMX）3种有机污染物为研究对象，开展相关的室内模拟秸秆还田实验和田间秸秆还田实验。

（2）使用 HORIBA Aqualog 荧光光谱仪测定提取液的荧光光谱和吸收光谱，并使用平行因子（PARAFAC）等分析技术确定 DOM/WSOM 的组分及其特征。

（3）通过稳态光照实验表征 DOM/WSOM 的光化学活性及其对有机污染物光降解的调控效应，并使用分子探针技术探究 WSOM 诱导有机污染物光降解的机制。

研究结论

稳态光降解动力学研究表明，秸秆 DOM 能显著促进敌草隆（DIU）和17β-雌二醇（E2）的光降解，其促进效率随秸秆 DOM 浓度增大逐渐增强；相同浓度下，秸秆 DOM 对 DIU 和 E2 的促进效率随秸秆分解先增强后减弱。同时，秸秆 DOM 对磺胺甲恶唑（SMX）光降解呈现先抑 制后促进的调控作用。

秸秆还田室内模拟实验显示，秸秆 DOM 主要由类色氨酸、类酪氨酸和类富里酸组成，其中类色氨酸和类酪氨酸具有一定的光化学活性。同步吸收-三维荧光光谱和相关性分析显示，类富里酸是秸秆 DOM 促进敌草隆（DIU）和17β-雌二醇（E2）光降解的主要组分，而类色氨酸是秸秆 DOM 促进磺胺甲恶唑（SMX）光降解的重要组分，其调控机制均主要为光生•OH和三线态 DOM 氧化（图1）。

图1实验室模拟秸秆源 DOM 与有机污染物光降解关系示意图（来源 Science Direct）

田间秸秆还田实验土壤样品分析显示，WSOM 含量先增加后逐渐降低至秸秆还田前的水平。同步吸收-三维荧光光谱和 PARAFAC 分析表明，WSOM 中类腐殖质组分的相对丰度不受秸秆还田影响，但其类蛋白组分的相对丰度受会到一定程度的扰动。WSOM 主要通过滤光、活性物种淬灭等机制抑 制 SMX 光降解，通过光生活性物种，如•OH、1O2和激发三线态 WSOM 促进 DIU 降解。总体来讲，还田秸秆会改变 WSOM 的组成及光化学活性，这一途径对 WSOM 诱导 SMX 和 DIU 的光降解机制的影响很小；然而，还田秸秆会通过提高 WSOM 含量这一途径显著减缓 SMX 光降解和促进 DIU 光降解（图2）。

图2秸秆还田土壤溶解有机质（WSOM）的含量、组分和相对丰度与有机污染物光降解关系示意图（来源：Science Direct）

仪器使用评价

西华师范大学任东实验室配备的 HORIBA Aqualog 同步吸收-三维荧光光谱仪

本研究中，使用 HORIBA Aqualog 同步吸收-三维荧光光谱仪进行了秸秆和土壤溶解性有机质的三维荧光光谱和吸收光谱测定。实验证明，Aqualog 可以同步、快速、精确地测定秸秆和土壤提取液的荧光光谱和吸收光谱，从而减少因测定条件、多次曝光及仪器差异带来的误差，为快速准确识别土壤溶解有机质组分提供了有效的技术支持。

研究中使用的激发波长 Ex=250-500nm，步长 2nm，发射波长 Em=246-800nm，扫描积分时间为1.0s。

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课题组负责人介绍

任东，副教授，硕士生导师，致力于新型有机污染物环境过程与健康效应研究，研究成果先后发表于WaterRes.,JHazard. Mater., Sci. Total Environ.,Environ.Pollut. 和中国环境科学等期刊。担任工业水处理期刊青年编委，Frontiersin Geochemistry – Review Editor，以及Sci.Total Environ.,Environ.Pollut.,Environ.Geochem. Hlth.等期刊通讯评审。

联系作者：Email：dren@cwnu.edu.cn