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黑麦草修复模拟重金属污染土壤的化学强化及其潜在风险

2013-10-24 7页 pdf 530KB 14阅读

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黑麦草修复模拟重金属污染土壤的化学强化及其潜在风险 第41卷第4期 2011年7月 东南大学学报(自然科学版) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) V01.4lNo.4 July2011 doi:10.3969/j.issn.1001—0505.2011.04.026 黑麦草修复模拟重金属污染土壤的化学强化 及其潜在风险 冉文静 傅大放 (东南大学土木工程学院。南京210096) 摘要:采用黑麦草(Lolium厶)修复模拟重金属污染土壤的盆栽试验,考察在分别投加螯合剂 EDTA,Gallic和...
黑麦草修复模拟重金属污染土壤的化学强化及其潜在风险
第41卷第4期 2011年7月 东南大学学报(自然科学版) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) V01.4lNo.4 July2011 doi:10.3969/j.issn.1001—0505.2011.04.026 黑麦草修复模拟重金属污染土壤的化学强化 及其潜在风险 冉文静 傅大放 (东南大学土木学院。南京210096) 摘要:采用黑麦草(Lolium厶)修复模拟重金属污染土壤的盆栽试验,考察在分别投加螯合剂 EDTA,Gallic和面活性剂SDS,以及分别复合投加EDTA和SDS,Gallic和sDs等不同化学强 化条件下植物修复效果;并通过淋滤试验研究了使用化学强化措施的潜在风险.研究结果表明: 在不同化学强化措施条件下,黑麦草对土壤中Cd,Pb,Zn提取效率大小顺序为Gallic和SDS, EDTA和SDS,Gallic,EDTA,SDS—CK;单独投加Gallic使首次淋滤液中Cd,Pb,Zn的浓度与对 照组相比,分别增加15.4%,68.1%和100.4%,复合投加Gallic和SDS使首次淋滤液中Cd,Pb, Zn的浓度分别增加142.8%,72.0%和27.6%;投加EDTA引起淋滤液中Cd,Pb,Zn浓度的增 加远超过投加Gallic,并使TN,TP浓度增加,因此会有土壤中重金属淋失和营养元素流失风险; 复合投加Gallic和SDS可使黑麦草叶绿素a和b之比降低4%,根膜通透比上升了2.44%,不仅 强化效果较好,而且风险小. 关键词:重金属;植物提取;螯合剂;表面活性剂 中图分类号:X5 文献标志码:A 文章编号:1001—0505(2011)04-0793旬6 Effectsandriskofchemicalenhancementmeasurestophytoremediation usingLoliumL.forartificiallypollutedsoilwithheavymetals RanWenjingFuDafang (SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Pottestsofphytoremediationofsoilpollutedartificiallywithheavymetalswereconducted toinvestigate血eeffectsoftheremediationusingLoliumL.throughchemicalenhancement.Chelate EDTA.GallicaresurfactantSDSwereusedaschemicalenhancementfactors.Thesoilleachingtests werealSOcarriedouttoobservethepotentialriskofchemicalenhancementinthisstudy.Results showthattheorderofenhancedphytoextractionofCd.PbandZnbysingleorcomplexdosingche- latingagentsandsurfactantwasasfollows:GallicandSDS,EDTAandSDS,Gallic,EDTA,SDS ≈CK.Comparedwithcontrastgroup.singledosingGallicincreasestheconcentrationsofCd.Pb andZnintheleachingliquorby15.4%.68.1%and100.4%。respectively.ComplexdosingGallic andSDISincreasestheconcentrationsby142.8%.72.0%and27.6%respectively.Theconcentra- tionsofthesemetalsintheliquorcausedbydosingEDTAaremuchhigherthanthosecausedbvdo— singGallic.andTNandTPintheliquoralSOreachhigherlevelsSOthatthereexistsriskofleaching outheavymetalsandnutrientsfromsoil.ComplexdosingGallicandSDScanreducechlorophylla/ chlorophyllbrationby4%andincreasetherootmembranepermeabilityby2.44%.whichnotonly provideahigherefficiencyofenhancementbutalSOensurelessrisk. Keywords:heavymetal;phytoextraction;chelatingagent;surfactant 收稿日期:2010.12-21.作者简介:冉文静(1983一),女,硕士生;傅人放(联系人),男,博士,教授,博士生导师,fdf@鼯u.edu.cn. 基金项目:江苏省环保科技摹金重人资助项日(2005011). 引文格式:冉文静,傅大放.黑左草修复模拟重金属污染卜壤的化学强化及其潜在风险[J].东南大学学报:自然科学版,201l,4l(4):793— 798“doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2011.04.026] 万方数据 794 东南大学学报(自然科学版) 第41卷 由于重金属污染土壤的植物修复技术局限性, 唐世荣⋯进行了这项技术的强化措施研究,并取 得了一定的研究成果.通过化学强化措施作用于土 壤一植物系统而达到增强植物吸收重金属是当前研 究热点,也是突破当前植物修复应用瓶颈的有效途 径[2].化学强化措施可以使土壤中金属的溶解性 提高,从而诱导植物的超富集作用口j,螯合剂和表 面活性剂可以增加土壤溶液中有效态重金属的浓 度【4],提高这些金属在土壤中的迁移活度”J,大幅 度地提高了植物对重金属的吸收和富集能力∞J. Blaylock等⋯研究表明投加EDTA和乙酸,与只使 用EDTA比较,使印度芥菜对铅的积累量增倍. 研究表明,复合投加螯合剂表面活性剂要比单 独投加时效果好,Luo等旧1发现组合使用EDTA 和[s,S]一EDDS,会提高植物提取铜、铅、锌、镉的 效率,与单独使用EDTA或[S,s]一EDDS时相比 会达到一个更高的水平.Tandy等旧1认为出现这样 结果是由于EDTA和[s,s]一EDDS在植物提取金 属的效率上存在差异,加入[S,S]一EDDS,使得 EDTA捕获痕量金属的有竞争力的阳离子减少,如 土壤可溶性钙Ca.但由于螫合剂表面活性剂与重金 属形成水溶性胶体,增加了重金属在土壤中的可移 动性,化学强化存在污染地下水的潜在风险¨引.本 文从螯合剂与表面活性剂促进植物修复的效果及潜 在风险2个方面综合螯合剂与表面活性剂应用 于强化植物修复重金属污染土壤的可行性,以期为 其实际-丁程应用提供理论和技术支持. 1材料与 1.1试验材料 试验用的土壤原土采自南京市江心洲,为黄壤 黏土,其基本性质如下:pH值为6.5;阳离子交换 量为20.9cmol/kg;有机质、全氮、全磷和全钾含量 分别为17.0,1.6g/kg(以N计),0.6g/kg(以P 计)和15.5g/kg(以K计);Cd,Pb,Zn含量(全 量)分别为0.98,38.70和94.86mg/kg. 将原土自然风干,剔除植物残体及碎石,压碎研 细,过10目(孔径2mm)筛备用.土壤中加入CA, Pb,劢溶液充分混合模拟土壤重金属污染.每千克 土样加5mgCA“(Cd(N03)2·4H20),50mgPb“ (1ab(N03)2)和300mgZn2+(Zn(N03)2·6H20)¨“. 选用效果较好的螯合剂与表面活性剂,分别为螯合 剂没食子酸(Gallic)o71、乙二胺四乙酸(EDTA)和 表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)伸1. Gallic,EDTA,SDS的投加浓度分别为5,l和 1 mmol/kg;复合投加时各物质投加浓度不变,对 照组不投加.土壤螯合剂与表面活性剂处理为CK (对照组)、E(投加EDTA)、G(投加Gallic)、S(投 加SDS)、ES(投加EDTA和SDS)和GS(投加 Gallic和SDS). 试验植物为一年生黑麦草(LoliumL.)具有以 下特性:①即使在污染物浓度较低时也有较高的 富集速率;②能在体内富集高浓度的污染物; ③能同时富集几种污染物;④生长快,生物量大. 1.2试验方法 1.2.1盆栽试验 经重金属溶液处理的土壤充分混匀后在自然 条件下稳定10d,称取500g装于塑料花盆(直径 12cm,盆高10cm)中,并以分析纯KH2P04,CO (NH:):分别配置成浓度均为40g/L的浓溶液,投 加KH:PO。和CO(NH:)2各0.2g/盆作为底肥. 用量筒向盆巾补加纯水55mL,使土壤含水量为田 间持水量的60%(约105mE).处理后的土壤在自 然条件下静置,稳定2d后待播种. 先将黑麦草种子用纯水浸泡过夜,每盆播种 100粒.于2009年3月30日播种,2009年4月6 日黑麦草开始发芽,植物生长期间保持土壤湿度为 田间持水量的60%左右,4周以后加营养液追肥. 收割前1周进行螯合剂与表面活性剂处理.试验设 计为6种强化措施,重复3次,共有18个样品组. 1.2.2土壤淋滤试验 在内径为4cm,长为35cm的透明塑料管中 投加干净土壤,用纯水模拟雨水淋滤.用纱布将底 部固定,加2cm石英砂,接着铺2层(约80目)尼 龙布,分4层装入过10目筛土壤,相邻2层土壤中 间用尼龙布隔开,每层5cm,共约350g.试验装置 如图1所示.处理土壤投加重金属溶液,稳定10d 后分别投加螫合剂与表面活性剂,然后加入5mL 纯水,稳定7d后待用. 第1层土壤(c1) 第2层土壤(C2) 第3层土壤(C3) 第4层土壤((24) / 石英砂 淋滤液 图1淋滤试验装置示(单位:锄) 万方数据 第4期 冉文静,等:黑麦草修复模拟重金属污染土壤的化学强化及其潜在风险 795 纯水淋溶总量和单次淋滤量分别根据南京市 年平均雨量和最大降雨量确定¨2。,每次加入400 nlL淋滤,共淋滤4次.淋滤时400mL纯水分4次 加入,每次待液面至土柱表面时加入100mL纯 水.每淋滤完400mL纯水间隔ld再进行下次淋 滤.淋滤液用500n1L小口玻璃瓶收集,上放置漏 斗,淋滤液经慢速滤纸过滤后收集.淋滤完毕后,土 柱静置20d后取出各层土壤,自然风十后混匀,于 玛瑙研钵中研磨至全部通过100日筛,再次混匀待 测. 1.3测试方法 淋滤液收集后即时测定pH,TN,TP及重金属 含量,进行化学强化风险分析.采用HNO,一HF— HCl0。混合消解法消解淋滤土壤.土壤消解前预处 理参照文献[13];土壤和植物中Cd,Pb,Zn含量的 测定方法参照国家标准方法;TN,TP和淋滤液重 金属含量测定方法参照文献[14].黑麦草收割后 立即取新鲜样品测定叶绿素、根膜透性及黑麦草地 上部、地下部重金属的含量,分析修复效果指标富 集系数BAF(植物体内某种元素浓度与土壤中某 种元素浓度的比值)、转运系数TF(植物地上部某 种元素浓度与植物地下部某种元素浓度的比值) 和提取效率,植物样品消解方法、植物生理指标测 定和分析方法参照文献[11,15—16]. 2结果与讨论 2.1强化效果分析 2.1.1重金属富集和转运 植物对重金属的富集系数和转运系数分别表 征了植物对重金属的富集和转运的能力.其中由图 2可知,各处理条件下黑麦草对Cd的BAF,TF强 化效果最好的分别为ES,GS;对Pb的BAF,TF强 化效果最好的分别为ES,E;对zn的BAF,TF强 化效果最好的分别为GS,GS.单独和复合投加螯 合剂增加了黑麦草对cd,Pb的BAF,且复合投加 时效果更好;复合投加螯合剂增加了黑麦草对Zn 的BAF,这与土壤中zn的活性本来就较强有关, 单独投加时络合作用的发生可能减小了土壤溶液 中zn的浓度.投加螯合剂时黑麦草对重金属的TF 未产生较好的强化效果,单独投加SDS使黑麦草 对Cd,Pb,zn的TF均减小,与SDS能够通过作用 于植物根质膜而促进植物根部对重金属的吸收有 关. 2.1.2重金属的植物提取效率 植物对土壤重金属的提取效率受到多个因素 4.O 3.5 鲁3.0 ‰ 基2.5 2.O 1.5 1.O O.9 臣o·8 山 《 ∞0.7 0.6 O.5 2.0 1.9 1.8 置1.7 皿 蚕I·6 1.5 1.4 1.3 霾 霞 霪 ] ] ] ] CK E G S ES GS (a)对Cd的富集与转运 - 匠Z乙lBAF 1t _ ‘l - 匪 匡 匿 匡 雾镁 CK E G S ES GS (b)对即的富集与转运 CK E G S ES GS (c)对zn的富集与转运 图2黑麦草对Cd,Pb,Zn的富集与转运 的影响,它表征了植物应用于土壤重金属修复时最 终修复效果.对于黑麦草等草本植物来说,仅计算 可以靠收割移除的地上部的重金属积累量,其计算 式¨41如下: 叼=鲁×100% 式中,叼为提取效率;m。为黑麦地上部重金属积累 量;m。为土壤重金属总量. 由图3知,综合各处理对BAF,TF及生物量的 影响,单独投加EDTA使黑麦草对Cd,Pb,Zn的提 取效率增加了24.4%,25.4%,7.0%,单独投加 Gallic使黑麦草对cd,Pb,zIl的提取效率增加了 32.O%。33.7%,21.3%,单独投加SDS强化提取 效果较差,使cd,Pb的提取效率增加了3.O%, 万方数据 796 东南大学学报(自然科学版) 第41卷 5.8%,使Zn的提取效率减少了8.2%;复合投加 EDTA和SDS使黑麦革对Cd,Pb,Zn的提取效率 增加了29.5%,34.4%,41.0%,复合投加Gallic和 SDS使黑麦草对Cd,Pb,Zn的提取效率增加了 44.8%,60.0%,76.7%.表明单独投加EDTA, Gallic均可以强化黑麦草对重金属的提取,复合投 加SDS可以促进螫合剂的作用,其中复合投加 Gallic和SDS黑麦草提取Cd,Pb,Zn的提取效率 强化效果最好;单独投加SDS使得黑麦草对zn的 提取效率降低,表面活性剂可作为螯合剂强化植物 修复的辅助剂使用. 3.5 3.O 2.5 冰2·0 \ 擘1.5 1.O O.5 O CK E G S ES GS 图3黑麦草对重金属的提取效率 2.2风险性分析 2.2.1土壤的理化性质 淋滤试验中测得各处理条件下淋滤液pH值 均在6~7,不同处理条件之间无显著差异,表明加 入螯合剂与表面活性剂不会改变土壤的pH值,不 会造成植物根系环境酸碱性的变化. 各处理条件下淋滤液滤后体积均在365~373 mL,不同处理之间无品著差异,表明加入螯合剂与 表面活性剂不改变土壤的持水性,不会造成植物根 系环境土壤含水量的变化. 观察4次淋滤过程,各处理条件下淋滤速度差 异较大,滤速由小到大依次为G—E,S—ES。GS— CK,4次淋滤规律一致.加入螯合剂与表面活性剂 会不同程度卜改变土壤的渗滤性能,单独施加螯合 剂与表面活性剂会减缓土壤溶液下渗的速度,螯合 剂作用更为明显;复合投加螯合剂与表面活性剂对 土壤溶液下渗速度的减缓作用有所削弱;其中,复 合投加Gallic和SDS时土壤溶液下渗速度与对照 组相比无显著变化.试验中还发现,投加Gallic时, 第l层土壤表面会出现1cm厚度的黑褐色土层. 且该土层较硬,加入水淋洗时该土层不被破坏,其 他土柱第1层土壤表面较松散,加入水淋洗时表面 被破坏1—2cm而出现浑浊. 2.2.2淋滤液重金属浓度 如图4所示,投加螫合剂与表面活性剂后会改 变土壤中水溶态重金属的浓度.对于不同的重金属 来说,存在不同的变化规律. 1.5 1.2 0 品0.9 目 令O.6 o q O.3 O 』一、 0 ● 彗 ∑ 3 邑 q 臣 匿 E 匝 —, 三 二 三 一 11L =一 三 二 三 = 三隐 二 CK E G S ES GS (a)Cd浓度 ‘ l : 》 匡 l 酬b翮l蓟隐 。 l 。 l 瘌l : l l :囫 l 目 目 l 囫 (c)Zn浓度 图4螯合剂与表面活性剂对淋滤液中重金属浓度的影响 如图4(a)所示,对于Cd来说,淋滤液中平均 浓度为E>ES》S>G>GS>CK,各处理均增加了 淋滤液巾Cd浓度,4次淋滤液中重金属的浓度变 化总体趋势是依次减小;存在首次淋滤环境风险, 单独投加EDTA,Gallic,SDS使首次淋滤液Cd含 量分别增加了990%,15.4%,210%,复合投加ED. TA和SDS,Gallic和SDS分别增加了910%和 140%.投加EDTA引起Cd首次淋滤风险最大, SDS其次;复合投加Gallic和SDS引起的Cd首次 万方数据 第4期 冉文静,等:黑麦草修复模拟重金属污染土壤的化学强化及其潜在风险 797 淋滤风险最小. 对于Pb来说(见图4(b)),淋滤液中平均浓 度为E>Es》G>GS>CK—S,除SDS处理外,其 他各处理均增加了淋滤液中Pb浓度,单独和复合 投加EDTA存在Pb首次淋滤风险,使首次淋滤液 Pb含量分别增加了191.1倍和179.7倍,与EDTA 螯合性较强有关;其他处理未造成首次淋滤液中 Pb含量显著变化,与土壤中Pb移动性较弱有关; 单独和复合投加Gallic使首次淋滤液中Pb增加了 68.1%和72.0%. . 对于Zn来说(见图4(C)),首次淋滤液中平 均浓度为E>ES》,G>S>GS>CK,各处理均增加 了淋滤液中Zn浓度;单独和复合投加EDTA存在 Zn首次淋滤风险,使首次淋滤液zn含量分别增加 了52.8倍和52.6倍,与EDTA螯合性较强有关; 其他处理未造成首次淋滤液中Zn含量、显著变化, 单独和复合投加Gallic和SDS使首次淋滤液中Xn 含量分别增加了100.4%,27.6%.除首次淋滤液 外,其他淋滤液中Zn浓度均低于原子吸收火焰法 检测限. 2.2.3土壤营养元素的流失 如图5所示,投加螯合剂与表面活性剂后会改 变土壤溶液中TN,TP的浓度,对于TN,TP来说, 存在不同的变化规律.由图5(a)可见,淋滤液中 TN平均浓度为E>CK>GS>ES>G>S,4次淋 滤液中重金属的浓度变化总体趋势是依次减小,首 次淋滤液中TN浓度远远高于后3次,存在首次淋 滤营养流失风险.单独投加EDTA使首次淋滤液 中TN浓度增加了2.5%,其他处理首次淋滤液浓 度均低于对照组. 由图5(b)可见,淋滤液中TP平均浓度为E> ES>CK>GS>G>S,首次淋滤液中TP浓度未出 现峰值;单独和复合投EDTA使淋滤液中TP平均 浓度分别增加了12.1%,7.9%,其他处理'rP平均 浓度均低于对照组. 2.2.4黑麦草的生长 重金属污染能够导致植物体内产生大量的 ’OH‘,NO。,ROO‘等活性氧,使蛋白质和核算等 生物大分子变性,膜脂过氧化,从而伤害植物¨9|, 而膜脂过氧化首先导致叶绿素a的破坏.相关研究 表明,叶绿素a/b值是衡量叶片感受重金属相对敏 感的一个指标.投加螯合剂与表面活性剂改变了土 壤重金属的形态,从而改变了重金属对植物的毒 性.投加螯合剂与表面活性剂能够减少重金属对植 物的伤害,至少能确保植物的正常生长是其实际 f ? ∞ 县 : 苔 i 34 32 2 O O.8 O.7 fO· 00. ● 普q = £0. 巴 气0. 0.1 O 勉}第1次淋滤匦I第2次淋滤匡I第3次淋滤 ⅢⅡI第4次淋滤 匡 l l 匡 《 壤 l““泣 l““莎 CK E G S ES GS (a)TN CK E G S ES GS (b)TP ‘ 图5螯合剂与表面活性剂对淋滤液中TN,TP浓度的影响 应用的必要条件.本文测定了螯合剂与表面活性剂 对叶绿素a(C。)、叶绿素b(C。)、叶绿素总量(c。+ cb)和叶绿素a比b值(C。/Cb)4个指标的影响. 表1 对黑麦草地上部叶绿素含量的影响 mg/g 由表1可知,不同处理的螯合剂与表面活性剂 处理后,黑麦草体内叶绿素含量发生了不同程度的 变化.单独投加Gallic对4个指标的影响不大,并 使ca/ch增加了1%,单独投加SDS和复合投加 Gallic和SDS均引起叶绿素c。,cb和ca+c。的减 少,单独投加SDS使c/c。减少了】1.3%;复合投 加是对C。/Cb的影响不大,仅减少了4%.复合投 加Gallic和SDS时,c。,cb等比例减小可能是由于 试验中操作误差造成的.结合对黑麦草生长表观现 象的记录,投加Gallic和SDS均未引起植物蔫黄, 故Gallic,SDS单独或复合投加对黑麦草的光合作 用系统无显著影响,不影响黑麦革的正常生长. 植物在受到各种逆境危害时,细胞膜的结构和 功能首先受到破坏,导致膜透性增大.因此细胞膜 万方数据 798 东南大学学报(自然科学版) 第4l卷 的透性变化反映了外部不良环境对植物细胞的伤 害程度,同时细胞膜在逆境下的稳定性也反映了植 物抗逆性的高低. G,S,GS处理中根膜透性分别为33.43%, 38.9l%和36.27%,与对照组CK(33.83%)相比, 单独投加Gallic未引起黑麦草根膜透性显著变化; 单独投加SDS使黑麦草根膜透性增加了15.02%, 与表面活性剂由于其两亲性能够与细胞膜结合而 增加细胞膜透性有关;Gallic与SDS复合投加时能 有效减缓表面活性剂对根质膜的破坏作用,仅使黑 麦草根膜透性上升了7.2l%. 3 结论 1)各处理条件下黑麦草的综合提取效率南高 到低顺序为Gallid+SDS,EDTA+SDS,Gallic,ED— TA,SDS—CK,各处理均促进了黑麦草对重金属的 吸收. 2)单独投加EDTA使淋滤液中Cd,Pb,Zn含 量分别增加了9.9倍、191.1倍和52.8倍;单独投 加Gallic时淋滤液中Cd,Pb,Zn含量分别增加了 15.4%,68.1%,100.4%.复合投加时淋滤液中重 金属浓度低于单独投加.单独投加EDTA使首次 淋滤液中TN增加了2.5%,TP平均浓度增加了 12.1%,复合投加EDTA和SDS使TP平均浓度增 加了7.9%,表明单独和复合投加EDTA存在土壤 重金属和营养元素流失风险. 3)复合投加Gallic和SDS使黑麦草c。/cb 减少了4%,根膜透性上升了2.44%,未引起黑麦 草的光合作用系统及根膜透性的显著变化,保持在 不伤害植物生理系统的可控范围内. 参考文献(References) [1]唐世荣.:污染环境植物修复原理与方法[M].北京: 科学出版社,2006:1—5。22—27. [2]姜理英,杨肖娥,石勇伟,等.植物修复技术中有关土 壤重金属活化机制的研究进展[J].土壤通报,2003, 34(2):154—157. JiangLiying,YangXiaoe,ShiYongwei,eta1.Activa- tionofSoilheavymetalsforphytoremediation[J].Chi- neseJournalofSoilScience,2003,34(2):154—157. (inChinese) [3]史少军,赵坤,褚秀梅.土壤荸金属污染的植物修复及 其改进措施[J].山东林业科技,2006(4):66—67. 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