2023, Vol. 44
2. 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室, 广州 510006;
3. 广东省固体废物污染控制与资源化重点实验室, 广州 510006
2. The Key Laboratory of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters, Ministry of Education, Guangzhou 510006, China;
3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Solid Wastes Pollution Control and Recycling, Guangzhou 510006, China
电子垃圾废弃物在拆卸过程中由于强酸浸泡和物理拆卸等简单的处理手法往往会导致处理过程中重金属被释放到周围的土壤当中形成重金属复合污染[1~4].Cu和Cd作为电子废弃物释放的重金属中的典型代表容易在电子垃圾拆解场地土壤中积累达到很高的水平, 其所产生的毒性对生态环境和人类健康造成严重威胁[5~9].因此, 如何有效地降低土壤中重金属Cu和Cd的复合污染已经成为一个迫在眉睫的问题.钝化由于其成本低、操作简单和效果好而被认为是一种优良的修复重金属污染土壤的方法[10~14].
生物炭是由废弃生物质在无氧或缺氧环境下高温热解生成的一类材料[15~18], 有研究表明植物质生物炭材料在修复受Cu和Cd重金属污染的土壤的过程中具有提高土壤肥力、酶活性和改善土壤微生物环境的作用[19~21], 然而较少有对螃蟹壳生物炭修复受重金属污染土壤的研究.作为水产行业的主要废弃物之一, 螃蟹壳内含有大量的钙元素, 这使得其热解生成的生物炭含有大量CaCO3而具有潜在的钝化土壤中Cu和Cd的作用[22].研究表明金属氧化物可以有效吸附重金属[23~27], 马俊平等[24]的研究发现纳米二氧化锰材料是一种具有较好的Cu、Cd和Pb吸附性能的环境友好型吸附剂, 谢武明等[25]的研究发现纳米活性氧化铝负载磁性纳米零价铁对多种重金属如Cu、Cd和Cr等有良好的吸附性能.Deng等[28]的研究表明Mn在降低土壤中Cd的生物有效性和水稻对Cd的吸收上发挥重要作用.
因此, 基于以上研究, 将含Mn的金属氧化物负载在螃蟹壳生物炭上可能可以起到有效的钝化土壤中重金属并降低植物吸收土壤中重金属的作用.本研究采用共沉淀和共热解的方法制备螃蟹壳生物炭(BC)和片状锰铝双氧化物改性螃蟹壳生物炭(LDO/BC), 并对材料进行表征.运用BC和LDO/BC对受Cu和Cd复合污染的电子垃圾拆解场地土壤进行修复, 分析了BC和LDO/BC修复后土壤pH、有效磷、速效钾、酶活性和重金属有效态的变化.同时运用微生物群落分析BC和LDO/BC修复后土壤微生物群落的变化, 并且在修复后的土壤上种植黑麦草以进一步探究修复后重金属在黑麦草中的积累量, 以期为生物炭材料修复重金属污染的电子垃圾拆解场地土壤提供一定的参考.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤取自广东省清远市某电子垃圾拆解场地表层(0~20 cm).经过干燥, 除杂, 并通过2 mm筛网.土壤基本理化性质如表 1所示.
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表 1 土壤基本性质 Table 1 Soil basic properties |
1.2 试验方法 1.2.1 螃蟹壳生物炭制备
将收集来的螃蟹壳(收集于学校附近餐馆)用去离子水清洗, 去除螃蟹壳上的杂质, 经自然风干处理后进行破碎处理, 将过100目筛后的螃蟹壳粉末置于管式炉中, 并设置10℃·min-1升温至500℃, 在500℃下恒温热解2 h, 整个过程持续通入氮气以使环境处于无氧状态, 高温热解生成的产物水洗至中性烘干备用, 并记为BC.
1.2.2 LDO/BC的制备(1) 称取4.00 g螃蟹壳粉末加入到含有200 mL去离子水的烧杯中.
(2) 称取3.94 g四水合氯化锰和2.40 g六水合氯化铝分别加入到两个含有30 mL去离子水的烧杯中, 称取16.50 g氢氧化钠和13.00 g碳酸氢钠共同加入到含有100 mL去离子水的烧杯中.
(3) 将配制的四水合氯化锰溶液和六水合氯化铝溶液分别加入到螃蟹壳粉末溶液中, 并用配制好的氢氧化钠和碳酸氢钠混合溶液调节pH至10左右, 在磁力搅拌器上充分反应24 h, 放置于70℃烘箱中老化6 h, 反应后得到的材料用去离子水反复清洗至中性后在60℃下烘干.
(4) 将烘干的材料研磨成粉末过100目筛后置于管式炉中与BC同样程序和环境下进行热解, 热解后的产物水洗至中性烘干备用, 并记为LDO/BC.
1.2.3 样品表征分析方法采用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(Agilent 7700s)和非金属元素分析仪EA-CHNSO(Thermo Flash 2000)测定生物炭材料中的元素含量, 采用X射线衍射XRD(Bruker D8-Advance)、扫描电子显微镜SEM(Zeiss Merlin, 德国)和X射线光电子能谱XPS(Thermo Fisher Scientific, 美国)分析晶相、形貌、表面特征和材料的化学元素状态.
1.2.4 场地土壤修复试验取等质量的污染土壤于花盆中, 生物炭材料按照0、1%、3%和5%的比例与土壤均匀混合, 并分为7类处理, 命名为对照组(CK), 土壤+1% BC(BC-1%), 土壤+3% BC(BC-3%), 土壤+5% BC(BC-5%), 土壤+1% LDO/BC(LDO/BC-1%), 土壤+3% LDO/BC(LDO/BC-3%), 土壤+5% LDO/BC(LDO/BC-5%), 各组均保持在25℃和田间最大持水量的60%条件下培养, 并在60 d时采样分析.土壤pH(采用水土比为2.5∶1)、有效磷和速效钾的测定依据土壤农业化学分析方法[29]进行检测; Cu和Cd有效态含量采用DTPA浸提法测定[30]; 运用紫外分光光度法测定土壤中的过氧化氢酶[31], 土壤蔗糖酶活性的测定参照关松荫[32]的方法; 为了阐明BC和LDO/BC修复后土壤的微生物群落变化, 以BC-1%和LDO/BC-1%修复后的土壤样品作为代表样品进行16S rRNA测序分析.修复后的土壤种植黑麦草, 在温度25℃、光照16 h和保持田间最大持水量的60%的条件下培养28 d后采样测量发芽率、鲜重、根长和株高, 然后用去离子水冲洗掉杂质, 将样品置于80℃下烘至恒重, 记录干重, 样品经破碎机破碎后过0.25 mm筛网, 保存以备测重金属含量.黑麦草重金属含量测定采用HClO4-HNO3联合消解后经火焰原子吸收光谱测定Cu和Cd的浓度.
1.2.5 统计分析使用SPSS统计软件进行数据处理分析, 提供的所有数据均为平均值, 运用Tukey's检验对各组进行差异显著性分析(P＜0.05).
2 结果与讨论 2.1 材料的表征BC和改性后的LDO/BC的形貌和表面特征如图 1所示.图 1(a)显示BC呈块状结构, 这可能是由于螃蟹壳中存在许多的Ca元素, 使得热解生成的BC含有较多块状结构的CaCO3.图 1(b)表明, LDO/BC呈现出明显的片状结构, 与BC有较大区别, 这可能是由于LDO/BC在合成的过程中, Mn、Al和Ca的相互作用而形成了双金属或者三金属的片状金属氧化物结构[33].图 2(a)的XRD显示改性后的材料LDO/BC主要以CaCO3和MnAl2O4的晶型为主[22, 34], 并且两者的峰存在重叠现象, 这与以往研究相似[35].CaCO3可能来源于螃蟹壳内含有的大量Ca元素在高温下热解生成, 而MnAl2O4的存在证明锰铝氧化物成功负载在了生物炭上.从XPS全谱可知[图 2(b)], LDO/BC与BC相比呈现出新的Mn和Al的峰, 这同样表明Mn和Al元素成功负载在了BC上.
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图 1 BC和LDO/BC的电镜图 Fig. 1 SEM images of BC and LDO/BC |
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图 2 BC和LDO/BC的XRD和XPS图 Fig. 2 XRD patterns and full-survey spectrum of BC and LDO/BC |
表 2展示了BC和LDO/BC的基本理化性质, 表 3展示了生物炭材料修复后土壤理化性质的变化.相比于CK, 经过BC和LDO/BC修复后的土壤pH有显著提升(P＜0.05), 并且pH值随着材料投加量的增加而升高, 这可能是由于生物质在热解的过程中生成灰分、碱性物质、金属氧化物等而使得土壤pH值升高.土壤中的有效磷和速效钾含量是衡量土壤肥力的重要指标, 由表 3可以看到, 生物炭材料修复后土壤中的有效磷和速效钾都有显著增加(P＜0.05), 这与先前的研究有着相同的趋势[36], 并且随着生物炭材料添加量的增加而增加, 从表 2分析可知这可能是由于BC和LDO/BC中含有丰富的磷和钾.生物炭材料的添加不仅可以为土壤提供磷源和钾源, 还可以改善土壤环境, 提高土壤保肥、透气和含水的能力[37].通过DTPA提取的土壤重金属容易被植物所利用[38], 因此可以通过DTPA提取的土壤重金属含量来判断土壤修复程度.通过表 3可以看到, BC和LDO/BC处理相对于CK都显著降低了DTPA-Cu和DTPA-Cd的含量(P＜0.05), 并且随着生物炭材料投加量的增加, 效果更明显.BC-5%修复后土壤中DTPA-Cu和DTPA-Cd相对于CK分别降低了414.57 mg·kg-1和3.10 mg·kg-1, 而LDO/BC-5%修复后土壤中DTPA-Cu和DTPA-Cd相对于CK分别降低了613.90 mg·kg-1和4.30 mg·kg-1, 说明BC和LDO/BC可以有效降低土壤中重金属的有效性.
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表 2 BC和LDO/BC的理化性质 Table 2 Physicochemical properties of BC and LDO/BC |
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表 3 修复60 d后场地土壤理化性质变化1) Table 3 Change of soil physicochemical properties after 60 days of remediation |
2.3 BC和LDO/BC对土壤酶活性的影响
土壤中的酶活性对于评价土壤肥力水平具有重要的作用[39].图 3展示了污染场地土壤经过BC和LDO/BC修复60 d后过氧化氢酶和蔗糖酶活性的变化.从图 3(a)可以看到, 与CK相比, 除了LDO/BC-5%的处理组外, 其它处理组经过BC和LDO/BC修复后土壤中的过氧化氢酶活性都有显著提高(P＜0.05), 土壤中的过氧化氢酶可以起到将对植物有害的过氧化氢分解成无害物质的作用, 从中可知土壤中过氧化氢酶活性随着BC投加量的增加而增加, 这与以往的研究具有相同的趋势[40], 然而却随着LDO/BC投加量的增加而降低, 这可能是由于土壤中Mn含量达到一定浓度时会对土壤酶活性具有一定的抑制作用[41], 这表明一定投加量下的BC和LDO/BC具有促进土壤微生物学过程强度的作用[42].从土壤蔗糖酶活性变化中可以看到[图 3(b)], 与CK相比, 除了BC-1%和LDO/BC-5%以外, 其它处理组经过BC和LDO/BC修复后的土壤中的蔗糖酶活性都有显著的提高(P＜0.05), 并且经过BC-5%和LDO/BC-1%处理后土壤中的蔗糖酶活性相比于CK分别提高了2.03和2.75倍, 研究显示蔗糖酶活性与土壤中腐殖质、微生物数量和活性呈正相关性[43], 表明高投加量的BC和低投加量的LDO/BC对于受重金属污染的土壤可能起到促进腐殖质含量上升、增加微生物数量和增强微生物活性的作用.
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1.CK, 2.BC-1%, 3.BC-3%, 4.BC-5%, 5.LDO/BC-1%, 6.LDO/BC-3%, 7.LDO/BC-5%; 不同小写字母表示P＜0.05 图 3 BC和LDO/BC对过氧化氢酶和蔗糖酶活性的影响(60 d) Fig. 3 Effect of BC and LDO/BC on catalase and sucrase activity(60 d) |
图 4展示了不同处理组微生物群落门水平上的相对丰度, 其中A1、A2、A3和A4分别为CK平行组, B1、B2、B3和B4分别为BC-1%平行组, C1、C2、C3和C4分别为LDO/BC-1%平行组.结果表明耐重金属菌群Proteobacteria(变形菌)在修复过程中具有较高的相对丰度, 这与以往的研究发现一致[44], 经过BC-1%处理后的微生物群落中Gemmatimonadota(芽单胞菌)和Acidobacteriota(酸杆菌)相对丰度有所增加, 而LDO/BC-1%处理后变形菌的相对丰度有所升高, 变形菌的升高可能有利于减少Cd在植物中的积累作用[45].图 5展示了CK、BC-1%和LDO/BC-1%的土壤微生物群落高覆盖度指数(goods coverage)和α多样性中的Chao1指数.从图 5(a)可知, 高覆盖度指数均大于0.999, 证明微生物测序结果是可信的, Chao1指数的升高一定程度上可以表明群落丰富度的提高, 经过BC-1%和LDO/BC-1%处理后的Chao1指数呈现出一定的下降趋势[图 5(b)], 这说明生物炭材料进入土壤后对微生物群落产生一定的影响, 部分微生物可能在短期内对新的环境不适应而导致群落丰富度的下降, Li等[46]同样也发现生物炭添加到偏碱性土壤中可能会降低土壤微生物群落丰富度.这表明BC和LDO/BC在1%的投加量下可能不是通过提高土壤微生物群落整体多样性和丰富度来修复重金属污染土壤, 而是通过提高部分土壤微生物相对丰度或者是改善土壤其它非生物因素来起到土壤修复的作用.
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A1、A2、A3和A4分别为CK平行组, B1、B2、B3和B4分别为BC-1%平行组, C1、C2、C3和C4分别为LDO/BC-1%平行组 图 4 BC-1%和LDO/BC-1%对微生物群落门水平相对丰度的影响 Fig. 4 Effect of BC-1% and LDO/BC-1% on relative abundance of bacterial community at the phylum level |
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图 5 微生物群落高覆盖度指数和Chao1指数 Fig. 5 Goods coverage and Chao1 index pattern of the bacterial community |
图 6展示了重金属污染场地土壤经过BC和LDO/BC修复后种植黑麦草生长28 d后黑麦草的发芽率、鲜重、根长和株高的情况.从中可以看到黑麦草的发芽率、鲜重、根长与株高和BC的投加量呈现出正相关性, 而与LDO/BC的投加量呈现出负相关性(除了LDO/BC-3%处理的发芽率), 这可能是由于LDO/BC中所含有的Mn元素是植物所必不可少的微量元素, 其在适当浓度下对植物有促进作用, 而高浓度下对植物具有一定的负面作用[47], 并且这与2.3节中分析的土壤中酶活性与生物炭材料投加量的关系呈现出相同的趋势, 证明土壤中的过氧化氢酶和蔗糖酶起到了促进黑麦草生长的作用.在各处理中, LDO/BC-1%表现出最好的效果, 其次是BC-5%, 从图 6(a)发芽率可以看到, CK的发芽率仅为21%, BC-5%处理组的发芽率接近50%, 而经过LDO/BC-1%处理后的发芽率提升到了81%.经过BC-5%处理后黑麦草的鲜重[图 6(b)]是CK的2.5倍, 而LDO/BC-1%修复后黑麦草鲜重是CK的3.5倍.BC-5%和LDO/BC-1%处理后的黑麦草根长[图 6(c)]相对于CK也表现出显著的增长(P＜0.05), 分别达到了6.2 cm和8.8 cm, 并且图 6(d)显示BC-5%和LDO/BC-1%处理后的黑麦草株高相对于CK也分别增长了4.1 cm和7.7 cm, 表明LDO/BC在1%的投加量下就能达到改善土壤环境质量, 促进植物生长的效果, 具有经济实惠性.
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1.CK, 2.BC-1%, 3.BC-3%, 4.BC-5%, 5.LDO/BC-1%, 6.LDO/BC-3%, 7.LDO/BC-5%; 不同小写字母表示P＜0.05; 下同 图 6 黑麦草发芽率、鲜重、根长和株高(28 d) Fig. 6 Germination rate, fresh weigh, root length, and plant height of ryegrass (28 d) |
图 7展示了土壤经过修复后种植黑麦草生长28 d后黑麦草内重金属Cu和Cd的含量.与CK相比[图 7(a)], 除了LDO/BC-5%以外, 其它处理组修复后黑麦草内重金属Cu的含量都显著降低(P＜0.05).尽管BC-1%处理组的黑麦草植物生长状况没有BC-5%处理组的好, 其降低植物吸收土壤中重金属Cu的效果却与BC-5%处理组的效果相近, 使黑麦草内重金属Cu的含量降低了67.6%.经过LDO/BC-1%处理后的黑麦草内重金属Cu的含量降低了70.9%, 然而黑麦草内重金属Cu的含量随着LDO/BC投加量的增加而显著增加(P＜0.05), 结合文中2.3节和2.5节中的酶活性和黑麦草生长情况分析, 可能是因为LDO/BC在低投加量下表现出促进土壤中酶活性和植物生长的作用, 在高投加量下表现出抑制作用, 因此LDO/BC投加量过高时破坏了植物的正常功能导致植物出现吸收更多Cu的现象.从图 7(b)可知, 与CK相比, 所有处理组修复后黑麦草内重金属Cd的含量都显著降低了(P＜0.05).随着BC投加量的增加黑麦草内Cd的含量不断降低, 经BC-5%处理后的黑麦草内ω(Cd)已经不到0.01 mg·g-1, 降低了84.7%, 说明BC具有很好的抑制植物吸收土壤中重金属Cd的作用, 并且可以有效降低土壤中Cd对植物的毒性作用.在LDO/BC处理组中, 黑麦草内Cd的含量随投加量的变化表现出与Cu含量相反的趋势, 黑麦草内Cd的含量随着LDO/BC投加量的增加而降低, 在LDO/BC-5%的处理下, 黑麦草内重金属Cd的含量降低了85.6%, 这可能是由于LDO/BC中存在着Mn并且会部分释放到土壤中, 而土壤中存在的Mn可以有效抑制植物对Cd的吸收[28], 所以随着LDO/BC投加量的增加, 这种抑制作用逐渐增强, 植物对Cd的吸收越来越弱, 因此植物体内Cd含量减少.
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图 7 黑麦草体内Cu和Cd的含量 Fig. 7 Content of Cu and Cd in ryegrass |
(1) 一定投加量范围下的LDO/BC运用于重金属污染土壤修复中可以有效提高土壤中有效磷和速效钾的含量, 增强过氧化氢酶和蔗糖酶活性.并且通过LDO/BC修复后, 土壤中DTPA-Cu和DTPA-Cd最多分别降低了613.90 mg·kg-1和4.30 mg·kg-1.
(2) BC-5%和LDO/BC-1%修复后土壤种植出来的黑麦草的发芽率分别提高了29%和60%, 并且拥有更好生长状态, 一定范围内高投加量的BC和低投加量的LDO/BC对黑麦草的生长具有促进作用.
(3) BC-1%修复后的土壤微生物群落中Gemmatimonadota(芽单胞菌)和Acidobacteriota(酸杆菌)的相对丰度上升, 而LDO/BC-1%处理后的Proteobacteria(变形菌)的相对丰度上升, 有利于减少Cd在植物中的积累作用.
(4) 经过LDO/BC修复后黑麦草内Cu的含量最多降低了约70.9%, Cd的含量最多降低了约85.6%, 低投加量的LDO/BC对黑麦草内重金属Cu含量有更好的降低作用, 而高投加量的LDO/BC对黑麦草内重金属Cd含量有更好的降低作用.
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