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.
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万方数据
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
作者: 冉文静, 傅大放, Ran Wenjing, Fu Dafang
作者单位: 东南大学土木工程学院,南京,210096
刊名: 东南大学学报(自然科学版)
英文刊名: Journal of Southeast University(Natural Science Edition)
年,卷(期): 2011,41(4)
参考文献(16条)
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15.杨敏文 快速测定植物叶片叶绿素含量方法的探讨[期刊论文]-光谱实验室 2002(04)
16.郜红建;常江;张自立 镧对水稻根质膜透性和根分泌物中几种营养离子含量的影响[期刊论文]-应用生态学报 2004(04)
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1. 王斯坦.苏华美.杜松涛 土壤中微生物种群对重金属Cu修复技术研究[会议论文]-2011
2. 黄凯.井上胜利.原田浩幸.川喜田英孝.大渡启介.HUANG Kai.Katsutoshi INOUE.Hiroyuki HARADA.Hidetaka KAWAKITA.Keisuke
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引证文献(1条)
1.许丽.穆巴拉克·艾则孜.蔡海芸.黄梦媛.黄光团 PASP对香根草修复富营养化水体的影响[期刊论文]-中国给水排水 2012(23)
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