汞是一种全球性污染物, 具有很强的毒性、污染持久性和隐蔽性, 已被多个机构列为优先控制污染物之一^[1], 汞在自然界中存在多种形态, 其中以甲基汞的毒性最强, 甲基汞具有很高的神经毒性、致癌性、心血管毒性、生殖毒性和免疫系统效应等^[2], 20世纪日本的“水俣病”事件就是因食用了受甲基汞污染的鱼类产品而造成的, 严重危害了人体健康, 食用鱼类等水产品已成为人类甲基汞暴露的主要途径之一.另外, 李平等^[3]在万山汞矿区的甲基汞风险评价表明, 食用大米已成为当地居民甲基汞暴露的主要途径, 部分居民通过大米摄入的甲基汞已经超过JECFA制定的限制标准[0.23 μg·(d·kg)^-1], 稻米对甲基汞的富集能力远超无机汞^[4].有研究表明, 稻米中的甲基汞主要来源于土壤中的甲基汞^[5~7], 而土壤中汞的甲基化进程受到土壤pH、有机质、汞形态、微生物、氧化还原条件和硫化物等多种因素的协同作用^[8~10], 这为人们阻控修复土壤甲基汞提供了重要依据.

蒙脱土的主要成分为蒙脱石, 是一类2:1型层状含水铝硅酸盐化合物, 具有很高的阳离子交换和吸附能力, 在修复土壤重金属方面已被证明是一种有效、环保的重金属钝化修复材料, 受到广大学者的青睐.为提高天然蒙脱土的吸附容量, 很多学者通过多种物理化学改性方法对其进行改性.如蒋婷婷等^[11]利用十六烷基三甲基溴化铵制得有机蒙脱土改性材料降低了Cr在土壤中的活性和可移动性. Rafiei等^[12]利用聚丙烯酸酯对蒙脱土进行改性, 改性后的蒙脱土层间距从12.2 nm增加到了38.9 nm, 处理含Pb²⁺废水, 去除率高达99.6%.张玉枝^[13]通过对膨润土进行巯基改性研究其对汞污染土壤的修复效果, 结果表明巯基改性膨润土对土壤中的活性态汞具有良好的钝化效果.

目前土壤重金属修复技术多是针对镉、锌、铅等重金属, 而对汞及甲基汞污染的稻田土壤的修复技术则较为缺乏.稻田土壤由于季节性灌溉形成了一种特殊的“湿地”环境, 已成为研究汞甲基化的热点区域, 本文采用3-巯丙基三甲氧基硅烷和壳聚糖对天然蒙脱土进行改性, 将改性后的蒙脱土添加到土壤中, 研究修复材料对土壤甲基汞的阻控修复效果, 以期为汞污染稻田土壤的治理提供参考.

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土壤采自万山汞矿区附近的汞污染稻田(表 1), 采集0~20 cm的稻田表层土壤, 经风干, 除杂, 粉碎后过5.0 mm筛备用.天然蒙脱土(蒙脱土)购自内蒙古爱牧化工有限公司, 纯度(蒙脱石含量)为90%. 3-巯丙基三甲氧基硅烷购自Aladdin公司、壳聚糖购自Macklin试剂公司.

1.2 改性方法

巯基改性蒙脱土：采用3-巯丙基三甲氧基硅烷和蒙脱土分散充分混合法改性^[14], 具体步骤如下：称取10 g蒙脱土按照1:10(g:mL)=蒙脱土:硫酸溶液的比例溶于2mol·L^-1的硫酸溶液中, 在80℃下搅拌6 h, 后清洗至中性, 在105℃下烘干, 研磨过100目, 得到酸化蒙脱土.按照巯基材料:乙醇:水=1:8:0.5(体积比)混合得到混合溶剂, 再按照酸化蒙脱土：巯基材料(g:mL)=1:1将酸化蒙脱土加入到混合溶剂中, 常温下搅拌6 h, 然后用乙醇清洗多余的巯基材料, 在80℃下烘干, 研磨过100目, 制得巯基蒙脱土.

壳聚糖改性蒙脱土:采用壳聚糖和蒙脱土分散充分混合法改性^[15], 具体步骤如下：准确称取0.5 g壳聚糖溶于100 mL体积分数为1%醋酸溶液中, 搅拌2~4 h使其完全溶解.取50 g蒙脱土均匀分散于壳聚糖溶液中, 50℃下搅拌2 h, 105℃烘干, 研磨过100目筛, 制得壳聚糖蒙脱土.

1.3 试验设计及样品采集

每个烧杯称土1 kg, 按照2%的比例分别添加蒙脱土、巯基蒙脱土、壳聚糖蒙脱土, 使其与土壤混合均匀.同时一部分烧杯通过添加5 g石灰进行联合修复, 以观察pH增加后钝化剂的修复效果.为观察不同土壤水分条件对钝化剂修复效果的影响, 将土壤设置为3个不同的水分条件:①淹水状态：保持水分液面高于土壤5 cm处, 长期淹水; ②干湿交替状态：试验初始时加入水分保持液面在土壤5 cm处, 每间隔6 d重新加入水, 循环操作; ③干旱状态：不加入水.综上所述, 试验共设15个处理, 分别为3个不同水分条件下的空白对照组、蒙脱土组、巯基蒙脱土组、壳聚糖蒙脱土组、巯基蒙脱土和石灰组, 壳聚糖蒙脱土和石灰组.每个处理设3个平行, 以验证试验的可靠性.

试验开始后, 每隔一周采集土壤样品, 采集样品后立即冷冻24 h以上, 使用冷冻干燥机进行冷冻干燥48 h, 后研磨过100目筛, 密封干燥保存, 待测.

1.4 土壤甲基汞含量测定

土壤甲基汞：采用萃取-乙基化结合GC-CVAFS法测定^[16]：①精确称取土壤样品0.2 g(精确至0.000 1 g)至50 mL离心管中, 并加入1 mL的2mol·L^-1的硫酸铜溶液和4 mL的体积分数为25%的硝酸溶液. ②移取10 mL二氯甲烷加入离心管中, 准确称取二氯甲烷的质量, 并记录. ③盖紧离心管盖, 振荡30 min, 在5 000 r·min^-1转速下离心30 min, 然后去掉离心管中上层溶液, 转移剩余的二氯甲烷至新的50 mL离心管, 并准确称重剩余的二氯甲烷质量. ④将离心管置于45℃水浴, 直至可见的二氯甲烷挥发干净, 再将水浴温度调至80℃, 以200~300mL·min^-1的氮气吹8 min, 吹干净残余的二氯甲烷, 然后溶液定容至50 mL. ⑤取适量样品溶液转移至气泡瓶中, 定容至80 mL, 然后加入缓冲溶液及乙基化试剂, 摇匀, 静置15 min以上, 待测. ⑥使用GC-CVAFS甲基汞系统进行测定.

1.5 质量控制

试验中所用玻璃器皿均经5%硝酸溶液浸泡24 h后, 在马弗炉内以500℃下灼烧1 h, 自然冷却后使用.样品处理与分析质量采取试剂空白、平行重复样、标准参考样品(ERM-CC580)进行质量控制.

2 结果与分析 2.1 蒙脱土、巯基蒙脱土及壳聚糖蒙脱土的X射线衍射分析(XRD)

图 1为蒙脱土、巯基蒙脱土及壳聚糖蒙脱土的XRD表征图.对比蒙脱土、巯基蒙脱土和壳聚糖蒙脱土的图谱, 其首峰位置并未发生明显改变, 证明改性过程不对蒙脱土结构产生重大影响.经巯基材料改性后, 特征峰角度位置发生了很微弱的偏移, 2θ由5.66°变至5.62°, 依据Bragg方程: 2dsinθ=nλ(n=1, λ=0.154), 改性前后平均层间距基本保持不变, 表明巯基改性蒙脱土反应仅发生在蒙脱土表面^[17].但巯基蒙脱土的首峰强度明显减弱, 这是由于3-巯丙基三甲氧基硅烷中甲氧基水解形成的硅羟基, 可以与蒙脱土表面的硅羟基发生反应, 形成氢键再脱水缩聚, 生成共价键, 导致衍射峰强度降低.表面修饰使得蒙脱土原来的团聚体变得分散, 因而使得衍射峰强度降低^[18].另外, 巯基蒙脱土XRD图中2θ=26.7°时的石英衍射峰峰强明显强于蒙脱土, 这可能是由于蒙脱土在硫酸改性过程中部分CaCO₃杂质溶解, Mg²⁺部分溶出, SiO₂含量相对增加, 导致峰强增强^[19].壳聚糖为低结晶性高分子, 对比蒙脱土, 壳聚糖蒙脱土的XRD图在2θ=9.7°处存在明显的壳聚糖衍射吸收峰^[20], 表明壳聚糖成功负载于蒙脱土.

2.2 不同水分条件下修复材料对土壤甲基汞的阻控修复效果

(1) 淹水条件下修复材料对土壤甲基汞的阻控修复效果

万山土壤甲基汞初始含量为3.02ng·g^-1, 在淹水处理后, 土壤甲基汞含量随时间变化如图 2(a)所示, 空白土壤甲基汞含量整体呈现上升趋势, 在第4周升高至11.39 ng·g^-1, 含量范围为6.21~11.39 ng·g^-1.添加不同修复材料后对土壤甲基汞均产生了较好的阻控修复效果.添加蒙脱土后, 土壤甲基汞含量在初期升高后开始逐渐降低至4.80 ng·g^-1, 含量范围为4.31~8.76 ng·g^-1, 对比空白土壤甲基汞平均降低了33.73%.添加巯基蒙脱土后, 甲基汞含量降低为1.48~1.80 ng·g^-1, 降低率高达82.10%, 显著低于空白土壤甲基汞.添加壳聚糖蒙脱土后, 甲基汞含量为2.36~7.89 ng·g^-1, 对比空白土壤甲基汞降低了45.20%.经巯基蒙脱土和石灰、壳聚糖蒙脱土和石灰处理后, 甲基汞含量迅速降低, 土壤甲基汞含量均显著降低到(1.86±0.13) ng·g^-1和(2.26±0.36)ng·g^-1, 平均降低了79.72%和75.35%.

(2) 干湿交替条件下修复材料对土壤甲基汞的阻控修复效果

干湿交替条件下, 土壤甲基汞含量随时间变化如图 2(b), 空白土壤甲基汞含量在从初期5.40 ng·g^-1升高至15.36 ng·g^-1, 又迅速降低至7.82 ng·g^-1, 呈现先增长后降低的趋势, 土壤甲基汞含量波动较大, 添加蒙脱土后, 土壤甲基汞含量为6.69~12.04 ng·g^-1, 无明显降低效果.在分别添加巯基蒙脱土、壳聚糖蒙脱土之后, 对比空白土壤甲基汞含量分别显著降低为2.66~3.69 ng·g^-1和2.50~7.02 ng·g^-1, 分别降低了66.70%和49.79%.巯基蒙脱土和石灰处理后, 土壤甲基汞含量显著降低为1.59~2.32 ng·g^-1, 降低了80.04%.经壳聚糖蒙脱土和石灰处理后, 土壤甲基汞含量从初期的3.52 ng·g^-1逐渐升高至9.72 ng·g^-1, 土壤甲基汞含量随时间延长而升高, 阻控修复效果差.

(3) 干旱条件下修复材料对土壤甲基汞的阻控修复效果

干旱条件下, 土壤甲基汞含量随时间变化如图 2(c), 空白土壤甲基汞的含量为2.16~5.90ng·g^-1.添加蒙脱土后的甲基汞含量范围为3.56~4.76 ng·g^-1, 甲基汞含量基本保持恒定, 无明显降低趋势.在添加巯基蒙脱土后, 土壤甲基汞含量降低为2.05~2.47 ng·g^-1, 对比空白降低了44.66%.添加壳聚糖蒙脱土后, 土壤甲基汞含量从初期的6.65 ng·g^-1逐渐降低至1.91 ng·g^-1, 第4周土壤甲基汞含量与空白组对比, 降低了46.36%.在经巯基蒙脱土和石灰处理后, 土壤甲基汞含量降低为1.71~2.60 ng·g^-1, 对比空白显著降低了49.27%.壳聚糖蒙脱土和石灰处理后, 甲基汞含量降低为1.13~2.62 ng·g^-1, 降低率为54.37%.

3 讨论 3.1 不同修复材料的阻控修复效果比较

对比空白土壤甲基汞, 不同修复材料对土壤甲基汞的平均降低率如图 3所示, 其中以蒙脱土对甲基汞的阻控效果最差, 对比空白最优降低率仅为33.73%, 由于蒙脱土晶格内的类质同象置换, 使得蒙脱土表面多带有永久性负电荷, 可吸附土壤中Hg^2+[21], 但静电吸附作用力较弱, 易解吸, 另外蒙脱土表面上吸附的阳离子也可和土壤中的Hg²⁺发生交换, 固定一部分的Hg²⁺, 静电吸附及离子交换吸附的吸附能力有限, 蒙脱土的修复效果较弱.修复材料中巯基蒙脱土的阻控修复效果最佳, 对比空白甲基汞降低率为44.66%~82.10%, 联合石灰处理后更能显著降低土壤中的甲基汞含量, 降低率可达49.27%~80.04%, 这是由于蒙脱土经巯基改性后, 嫁接到蒙脱土上的巯基的专性吸附作用, 巯基属于一种典型软碱, 可与Hg²⁺发生络合反应, 生成很稳定的化合物, 这部分作用力最强, 可强烈抑制土壤无机汞的甲基化.另外, 巯基蒙脱土在改性过程中经硫酸处理后, 属于酸性土, 在与石灰联合处理后土壤pH增加, 在碱性条件(或中性条件)下不利于甲基汞的产生, 且可能发生汞的Hg(OH)₂沉淀, 增强对甲基汞阻控修复效果.

壳聚糖蒙脱土对土壤甲基汞也具有较好的甲基汞阻控钝化修复效果, 对比空白土壤甲基汞含量平均降低了45.20%~49.79%, 主要通过以下3个方面的作用：①氨基或羟基官能团的配位-螯合作用^[22].壳聚糖是一种碱性多糖, 壳聚糖分子中含有大量的羟基和氨基, 对Hg²⁺有很强的亲和吸附能力, 可形成稳定的螯合物^{[23, 24]}, 达到吸附无机汞的效果. ②壳聚糖负载于蒙脱土上, 部分氨基进入蒙脱土层间中, 扩宽了蒙脱土的层间域, 增加了其吸附性能^[15]. ③蒙脱土自身对土壤中Hg²⁺的吸附.添加壳聚糖蒙脱土和石灰处理后, 对比空白平均降低率为54.37%~75.35%, 达到了较好的降低效果, 但在干湿交替条件下, 添加壳聚糖蒙脱土和石灰处理后, 土壤甲基汞含量随时间的延长而缓慢增加, 这可能是由于土壤pH在干湿交替以及石灰的综合作用下会发生较大变化, 壳聚糖难以适应较广泛的pH, 导致壳聚糖的质子化程度降低甚至丧失反应活性^[22], 使得被壳聚糖蒙脱土吸附的汞重新释放进入土壤中, 导致土壤甲基汞含量逐渐升高.

3.2 不同水分条件对修复材料阻控修复土壤中甲基汞的影响

本研究试验结果表明, 3种水分条件下添加修复材料后, 对土壤中的甲基汞含量产生了不同程度的降低, 如图 3所示.其中在干旱条件下, 土壤中的甲基汞含量整体低于淹水与干湿交替状态下的甲基汞含量, 这是由于在干旱条件下, 土壤中汞的赋存形态相对稳定, 活性汞含量较低, 因而比其它2种水分条件下生成的甲基汞较少.修复材料对土壤甲基汞的阻控修复则主要是通过吸附土壤中活性较强的汞来抑制汞的甲基化进程, 进而降低土壤中甲基汞的含量.有研究表明, 土壤甲基汞含量与土壤中的生物可利用态汞存在显著的正相关关系^[25].

在淹水初期, 土壤中的汞处于释放阶段^[26], 氧化态汞和有机结合态汞可以向生物可利用态汞进行转化^[25], 部分碳酸盐结合态汞也会重新释放到土壤中^[27], 增强了土壤中汞的生物可利用性, 为汞的甲基化进程提供充足的、可供反应的汞源, 使得在淹水初期空白土壤甲基汞含量升高, 随着淹水时间的延长, 土壤中的汞含量逐渐达到平衡状态^[28], 土壤中汞的赋存形态趋于稳定, 因此在添加修复材料后, 淹水条件下土壤中的活性汞易被修复材料吸附固定, 减少了土壤中汞的活性, 抑制了汞的甲基化进程, 使得修复材料在淹水条件下能够达到较好的甲基汞降低率, 巯基与汞强烈的亲和性也促使了巯基蒙脱土在试验初期就起到良好的甲基汞阻控修复效果.此外, 土壤中的甲基汞含量还受多种因素的综合作用, 如甲基化微生物活性及数量、pH、氧化还原电位、有机配体等^{[29, 30]}.如郑顺安等^[31]的研究发现在淹水条件下土壤中硫酸盐还原菌(SBR)数量显著高于其它水分条件, SBR已被证实为促进汞甲基化的主要微生物之一, 使得在淹水条件下空白土壤中的甲基汞含量迅速升高, 相比加了修复材料的土壤, 由于其释放的二价汞被修复材料迅速捕获而抑制了其甲基化进程, 故在淹水条件下修复材料的甲基汞降低率更为显著.

在干湿交替条件下, 土壤中甲基汞含量在干湿交替的过程中呈现较明显的先增长后降低的波动趋势, 这与张成等模拟试验研究一致^[32].土壤干湿交替的水分环境会促进土壤汞的释放, 土壤中汞的活性增强, 促进了汞的甲基化进程, 添加巯基蒙脱土、壳聚糖蒙脱土后对比空白土壤甲基汞均具有良好的甲基汞降低率.在干旱条件下, 土壤中汞的赋存形态相对稳定, 生物可利用态汞含量相对其它两种水分条件较低, 因而在添加修复材料后, 修复速率较慢, 对甲基汞的平均降低率比其它两种水分条件较低.

4 结论

(1) XRD表征结果证实巯基和壳聚糖均成功负载于蒙脱土上, 使得改性后的蒙脱土对甲基汞的阻控修复效果明显强于蒙脱土的阻控修复效果.添加巯基蒙脱土后, 土壤中的甲基汞含量对比空白对照最高可降低82.10%, 添加壳聚糖蒙脱土后, 土壤中的甲基汞含量对比空白对照最高可降低49.79%, 对甲基汞的阻控修复效果, 巯基蒙脱土＞壳聚糖蒙脱土.另外, 巯基蒙脱土与壳聚糖蒙脱土和石灰处理时, 对比修复材料单独处理, 并未显著提高其对土壤中甲基汞的阻控修复效果.

(2) 壳聚糖蒙脱土在淹水, 干湿交替, 干旱3种不同水分条件下对土壤的甲基汞降低率无显著差异, 但巯基蒙脱土在淹水条件下对土壤甲基汞的降低率(82.1%)明显优于干湿交替(66.7%)和干旱条件(44.66%)下的甲基汞降低率.