海泡石与菌根对污染土壤中Pb、Cd、Zn形态的影响

杨秀敏,潘　宇,钟子楠,罗克杰

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027)



海泡石与菌根对污染土壤中Pb、Cd、Zn形态的影响

杨秀敏,潘宇,钟子楠,罗克杰

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027)

为修复重金属复合污染的土壤,采用连续提取法,通过盆栽实验研究了海泡石与菌根对土壤重金属Pb、Cd、Zn形态的影响。结果表明:海泡石可使Pb、Cd的可交换态转化成其他4种形态,使Zn的可交换态转化成碳酸盐结合态、有机物结合态和残渣态;菌根能显著增加可交换态的Pb、Cd、Zn浓度,降低了Pb的碳酸盐结合态、Cd的铁锰氧化态、Zn的有机物结合态的浓度。海泡石和菌根联合处理同单施海泡石的结果相似,说明联合修复中对重金属形态的影响海泡石起主导作用。该研究证实了海泡石可以调节重金属Pb、Cd、Zn的形态,从而降低污染土壤中重金属的生物有效性。

海泡石;菌根;土壤;重金属形态

0　引　言

土壤中重金属总量可以作为环境污染程度的重要标志,但不能真正反映其潜在的生态危害性,因为不同形态重金属的环境行为和生态效应是不同的[1]。操作定义上的重金属形态为重金属与土壤组分的结合形态,它与土壤类型、土壤性质、污染来源、环境条件等密切相关,是以特定的提取剂和提取步骤的不同而定义[2]。目前，常用反应性不断增强的提取剂,逐步提取土壤中不同活性重金属元素,即连续提取分析法(sequential extraction procedure)研究重金属在土壤中的存在形态。

Tessier连续提取法[3]具有一定的代表性,被广泛地运用在环境科学和土壤学的研究中。该方法按照生物活性的大小,将土壤重金属分为5种不同的化学形态:可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。海泡石与菌根[4-6]等作为土壤修复剂,可通过Tessier连续提取法测定土壤中重金属的各形态,分析海泡石与菌根对各形态变化的影响,以期为稳定土壤中重金属提供理论依据。

1　实验材料与方法

1.1实验材料

供试土壤:取自广东省污灌区,土壤呈强酸性,pH为3.8,土壤中主要重金属污染物Pb、Cd和Zn。

供试菌种:Glomus mosseae,Glomus intraradices由北京农林科学院微生物研究室提供。

供试矿物:海泡石,产地河南省南阳市,商用黏土矿物,pH为8.9。

1.2实验方法

实验设对照组CK,即不添加海泡石和菌根;单施海泡石组S,10 g;单施菌根Glomus mosseae组M1,50 g;单施菌根Glomus intraradices组M2,50 g;海泡石与菌根Glomus mosseae混合施用组SM1,10 g+50 g;海泡石与菌根Glomus intraradices混合施用组SM2,10 g+50 g。共6个处理,每一处理设4重复,共24盆。

污染土壤样品经风干、过筛后装于塑料盆中,每盆装土1 kg,并添加海泡石与菌根,用称重法控制土壤含水量。相对湿度为25%,室内温度为25～27 ℃,日常光照。经12周的植物种植后,分离土壤中的植物及残根等杂物,将盆中的土壤混匀、风干,测定土壤中重金属各形态浓度。

海泡石与菌根对重金属污染土壤中重金属各形态的影响实验数据采用Duncan多重比较法,显著水平为0.05。数理统计均在SAS软件上进行。

2　结果与讨论

2.1Pb的各形态分布特征

添加海泡石和菌根对土壤中Pb形态的影响见图1。

图1　供试土壤中重金属Pb的各形态分布

由图1可见,所有添加海泡石的处理均显著降低了土壤中Pb的可交换态浓度,显著增加了碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态和残渣态的Pb浓度。这说明添加海泡石可将土壤中可交换态的Pb转变成碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机物结合态和残渣态的Pb。添加两种菌根的处理同对照相比,土壤中可交换态的Pb浓度显著升高,碳酸盐结合态的Pb浓度显著降低,铁锰氧化态、有机结合态和残渣态的无显著差异。这说明菌根与植物根系分泌的有机酸不断溶解碳酸盐结合态重金属,促进其转化为可交换态。

海泡石和菌根联合处理的结果同单施海泡石处理结果相比,土壤中各形态Pb浓度的变化相似,表明联合修复时海泡石占主导作用。

2.2Cd的各形态分布特征

海泡石和菌根对土壤中Cd形态的影响见图2。由图2可见,添加海泡石显著降低了土壤中Cd的可交换态浓度,显著增加了碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机物结合态和残渣态的Cd浓度。添加菌根后土壤中可交换态Cd浓度显著高于对照组,但接种菌根只降低铁锰氧化态Cd浓度,对其他形态影响不大,这一点与Pb的结果不同。这可能是由于在菌根的作用下土壤中植物根系的分泌物易溶解铁锰氧化态的Cd,使其浓度降低转化成可交换态的Cd。添加海泡石和两种菌根后,土壤中各形态Cd浓度的变化与单施海泡石的结果相似,海泡石与菌根联合处理时菌根对土壤中Cd的形态迁移和转化产生影响不显著,主要海泡石占主导作用,这与Pb浓度变化情况一致。

2.3Zn的各形态分布特征

联合修复对土壤中Zn的形态分布情况与Pb和Cd的形态分布略有不同。由图3可见，海泡石单独处理时土壤中可交换态的Zn浓度显著低于对照,转化成碳酸盐结合态和残渣态,而铁锰氧化态和有机结合态的Zn浓度同对照相比没有显著差异,这可能是由于Zn与土壤铁锰氧化物具有较强的结合力[7-8],不易受土壤理化性质的影响。接种菌根时土壤的可交换态的Zn浓度显著高于对照,碳酸盐结合态、铁锰氧化态和残渣态的Zn浓度同对照相比也没有显著差异,只有有机物结合态的Zn浓度显著低于对照,这可能是由菌根与作物根系分泌物共同作用使有机质分解而导致有机物结合态的Zn浓度降低。添加海泡石和两种菌根后，土壤中各形态Zn浓度的变化与单施海泡石的结果相似。这与联合处理对Pb和Cd在土壤各形态分布的影响结果一致。

图2　供试土壤中重金属Cd的各形态分布

从土壤中Pb、Cd、Zn的形态分析可知,添加海泡石使土壤重金属的可交换态浓度降低,这是由于添加海泡石一方面改善土壤的理化性质,另一方面海泡石也吸附了部分土壤中重金属,改变了土壤的pH。大量研究认为土壤形态与土壤的pH有直接关系[9]。而添加菌根使土壤重金属的可交换态增加主要是由于菌根与植物根系分泌的有机酸能够溶解土壤中的重金属,使重金属的可交换态浓度增大。

图3　供试土壤中重金属Zn的各形态分布

3　结　论

(1)污染土壤添加海泡石后,Pb、Cd、Zn的可交换态浓度均显著降低,而相应地增加Pb、Cd的其他4种形态浓度,而Zn的可交换态转化成碳酸盐结合态、有机物结合态和残渣态,但对于Zn的铁锰氧化态的影响不大。海泡石和菌根联合修复重金属复合污染土壤时,同单施海泡石的结果相似。

(2)添加微生物菌根能显著增加可交换态的Pb、Cd、Zn浓度,显著降低了Pb的碳酸盐结合态、Cd的铁锰氧化态和Zn的有机物结合态的浓度,对Pb、Cd、Zn的其他形态影响不大。

(3)添加海泡石改变土壤理化性质时,土壤中可交换态重金属向碳酸盐结合态、铁锰氧化态等形态转化;而微生物菌根与作物根系的分泌物质能够不断溶解碳酸盐结合态、铁锰氧化态重金属,使重金属的迁移性和有效性增强。

[1]范文宏,陈静生,洪松,等.沉积物中重金属生物毒性评价的研究进展[J].环境科学与技术,2002,25(1):36-39.

[2]陈怀满.环境土壤学[M].北京:科学出版社,2005:219-223.

[3]TESSIER A,CAMPBELL P G C,BISSON M.Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metal[J].Analytical Chemistry,1979,51(7):844-851.

[4]杨秀敏,李立欣,张迎春.黏土矿物作为环境修复材料的研究进展[J].金属矿山,2010(7):153-156.

[5]徐应明,梁学峰,孙国红,等.海泡石表面化学特性及其对重金属Pb2+Cd2+Cu2+吸附机理研究[J].农业环境科学学报,2009,28(10):2057-2063.

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[7]MA L Q,RAO G N.Chemical fractionation of cadmium,copper,nickel,and zinc in contaminated soils[J].Journal of Environmental Quality,1997,26(1):259-264.

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[9]刘霞,刘树庆,王胜爱.河北主要土壤中重金属镉、铅形态与土壤酶活性的关系[J].河北农业大学学报,2002,25(1):33-37.

(编辑王冬)

Effect of sepiolite and mycorrhizal on form of Pb、Cd and Zn in heavy metal contaminated soil

YANG Xiumin,PAN Yu,ZHONG Zi’nan,LUO Kejie

(College of Resources &Environmental Engineering,Heilongjiang Institute of Science &Technology,Harbin 150027,China)

This paper is an attempt to study the effect of sepiolite and mycorrhizal on soils form using sequential extraction procedure for the remediation of compound heavy metal contaminated soil.The results show that adding sepiolite can trigger the transformation of Pb and Cd from their exchangeable forms to another four forms,thus accelerating the transformation of Zn from exchangeable forms to carbonate forms,organic forms and residual forms.Moreover,adding mycorrhizal can produce a significant increase in the concentration of Pb,Cd and Zn in their exchangeable forms and decrease in the carbonate forms concentrations of Pb,Fe/Mn-oxidation forms concentrations of Cd,organic forms concentrations of Zn.The combination of sepiolite and mycorrhizal gives a similar effect to only using the treatment of sepiolite,explaining that sepiolite plays the dominant role in affecting the form of heavy metal in the combined treatment.Research confirms that sepiolite can regulate the heavy metal forms and reduce the biological effectiveness of heavy metal in contaminated soil.

sepiolite;mycorrhizal;soil;heavy metal form

1671-0118(2012)05-0497-04

2012-08-23

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11511350)

杨秀敏(1968-),女,黑龙江省鸡西人,副教授,博士,研究方向:矿区生态恢复及土壤污染修复,E-mail:411909051@qq.com。

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