废弃尿不湿中聚合物对镉污染土壤的修复研究

曲贵伟

(辽东学院 城市建设学院，辽宁 丹东 118003)



【生物科学与环境工程】

废弃尿不湿中聚合物对镉污染土壤的修复研究

曲贵伟

(辽东学院 城市建设学院，辽宁 丹东 118003)

采用盆栽试验研究了废弃尿不湿中聚合物(UDP)对镉(Cd)污染土壤和高粱生长的改善作用。结果表明UDP的应用使高粱植株生物量提高了6.5倍，而地上部Cd的含量仅为对照处理的34.5%，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性明显降低，处理间差异显著。UDP处理的土壤CaCl2交换Cd的含量明显降低了46.2%～50.0%和37.3%～42.6%；此外UDP结合高粱生长还明显增强了土壤中β-葡萄糖苷酶、磷酸酶、脲酶、纤维素酶和蛋白酶的活性。此外UDP处理的高粱Cd的提取量远高于植物修复的基本要求(10 mg/kg)，提取总量超过了土壤CaCl2交换Cd的6%。综上所述采用UDP并结合高粱可以作为改善植株生长和Cd污染土壤的一种有效方法。

废弃尿不湿中聚合物; 高粱生长; 镉污染土壤

土壤的重金属污染已经成为全球广泛关注的环境问题。镉(Cd)毒性大且在土壤中活性强，容易被各种生物吸收而进入食物链从而严重威胁人类健康。土壤中的Cd的主要来源于大气沉降、含Cd磷肥的应用、城市垃圾和污泥的应用以及工业三废等[1-3]。一般认为，Cd的含量为2 mg/kg土壤(干质量)是耕作土壤Cd污染的临界指标，超过这个指标就会对人和动物的健康产生威胁。而土壤微生物及酶对Cd的反应更加敏感，在土壤中的Cd含量超过0.08 mg/kg(干质量)时就会受到严重损害[4]。

在污染土壤上种植适当植物不仅可以减少土壤侵蚀造成的重金属迁移, 而且可以通过植物吸收有助于降低土壤重金属含量，研究表明使用甜玉米和高粱可以促进对污染土壤中Cd的吸收[5-6]。目前高粱植株对Cd毒性的生化反应方面的研究还很少。一般认为，重金属的毒害作用可引起植株体内活性氧产物的增加，当活性氧如超氧化物(O2·-)、过氧化氢(H2O2)、氢氧基(HO·)和纯氧(1O2)在活细胞中达到一定浓度后就会产生毒害作用[7]。植株可通过激活一些酶如超氧化物歧化酶(SOD)用以消除超氧化物；过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)来消除过氧化氢的危害。这三种酶活性在细胞内的相互平衡在决定超氧化物和过氧化氢恒稳状态方面至关重要[8]。高粱是世界第五大谷类作物，既是一种主要的食物原材料和饲料同时也是一种耐旱和耐热的植物[9]，特别是高粱可以作为生物能源作物用以生产生物酒精[10]，这是其应用在重金属污染土壤修复上的一个明显优势。

当土壤重金属污染严重时，使用适当修复剂可以降低土壤中重金属的有效性并促进植被重建。例如使用聚丙烯酸盐高吸水性物质修复重金属污染土壤不仅可以降低土壤中尤其是根系周围土壤中有效重金属的含量，还可以为植株提供充足的水分，在长期重金属污染土壤的修复发挥了积极的作用[11-12]。但是工业品聚丙烯酸盐的价格都比较高(每公斤约25～30元人民币)，限制了其在大面积重金属污染土壤上的使用。之前的研究表明一次性尿不湿中的聚合物在吸收水分和吸附重金属上与聚丙烯酸盐相似，在铅、砷污染的矿区土壤修复研究中显示尿不湿中聚合物可以有效降低矿区土壤中活性重金属铅和砷的含量，促进植株生长和提高植被覆盖速度[13]，然而在该修复试验中，矿区土壤的有效重金属的含量较低，而且尿不湿是未经使用的，而研究表明一次性尿不湿中聚合物在吸附尿液后对溶液中重金属离子的吸附性能上与未吸附的尿不湿存在明显差异[14]。目前还没有关于废弃尿不湿中聚合物(UDP)对重金属有效性较强的污染土壤如Cd污染土壤的修复效果方面的研究。近10年来我国一次性婴儿尿不湿的总销售量约在220亿元，且保持20%～25%的年增长[16]，因此废弃的婴儿尿不湿在城市垃圾中所占的比例势必会逐渐增加。废弃尿不湿的回收利用将会为降低土壤修复成本和减少因废弃尿不湿所带来的新的环境污染提供新的解决途径。

文章研究的主要目的：① 研究UDP对长期Cd污染土壤上高粱生长(植株生物量)和健康方面(植株地上部中Cd的含量和过氧化物酶活性)的改善作用；② 研究UDP对土壤Cd的有效Cd含量和土壤脱氢酶及与C、N、P养分循环有关的水解酶活性等土壤质量因子的影响。通过以上研究，探讨废UDP在Cd污染土壤上的应用可行性，明确其对高粱健康和污染土壤性质的促进作用，为废弃尿不湿回收利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

尿不湿选用欧洲品牌DODOT，主要由外层塑料防腐层、纤维素纸浆和每片10 g左右的高吸水性聚合物，将15片尿不湿浸泡在4 L人工尿液中(组成见表1)，48小时后取出使用去离子水充分淋洗后，在风干后取出高吸水性聚合物并研磨粉碎后，取0.1 g UDP 经过3 mol/L的HCl消煮3次(每次10 mL)，消煮液用于测定聚合物上吸附人工尿液后的离子种类和数量(见表2)。

表1 人工合成尿液的基本成分

注：以上所有成分用0.02 mol·L-1HCl配制成1L溶液。

表2 UDP上吸附离子的种类和数量

供试土壤采自葡萄牙Pegões地区，(北纬38°24′，西经8°35′)，有机质和养分贫乏，属长期Cd污染土壤(性质见表3)。将10 kg过5 mm土筛混合均匀或未混合0.3%UDP的风干土样装填入栽培钵(直径20 cm, 高35 cm)，使用UDP的处理每公斤土样仅使用125 mg P(过磷酸钙)作为底肥，而没有UDP处理的土壤则额外补充16.5 mg N (硝酸铵)、24.6 mg K (氯化钾)以保证与UDP处理在养分水平上的一致。试验共设置4个处理4次重复，包括 CK(对照，无高粱生长也没有UDP)、UDP(仅用UDP)、PL(仅有高粱生长)和PL+UDP(高粱生长+UDP)。填装完毕后使用去离子水灌溉至土壤水分饱和后封盖保存1周。高粱 (Sorghumbicolor(L.) Moench) 于2014年5月4号播种，出苗2周后间苗至8棵。所有栽培钵放置在网室内，降雨时移至相邻的控温温室中。栽培钵2-3天称重一次并适时灌溉，以保证土壤水分始终保持在土壤持水量的70%。播种2月后收获植株地上部，称重后用去离子水冲洗，一部分样本称重后迅速保存在-75 ℃的冰箱中用以酶活性分析，其它的称重后在65 ℃下烘干并称重。同时，提取土壤样本，分别用于土壤有效Cd含量的测定和土壤酶活性的分析。

表3 供试土壤基本性质

1.2 植株样本的分析

烘干后的植株样本经过微波消煮(CEMMDS-2000)后，采用原子吸收仪测定消煮液中Cd的含量。冷冻的植株样本使用1 mL 100 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)缓冲缓冲溶液(含3 mmol/L DTT(二巯基苏糖醇)、1 mmol/L EDTA和2%(w/w)的PVP(聚乙烯吡咯烷酮))迅速捣碎研磨(用于抗坏血酸过氧化物酶测定的粗植株提取液还含有10 mM抗坏血酸)，混合提取液经离心后，将上层清液过滤(0.20 μmL)采用Aebi[17]所述方法测定过氧化氢酶活性(EC 1.11.1.6)，Ali等[18]所述方法测定抗坏血酸过氧化物酶活性(EC 1.11.1.1)，Rubio等[19]所述方法测定超氧化物歧化酶活性。

1.3 土壤样本分析

所有土壤样本经过2 mm筛，新鲜土壤用于脱氢酶(DHA)的测定。土壤有效Cd采用50 mL的0.01 mol·L-1CaCl2振荡浸提2 h,过滤后使用原子吸收仪测定。其他的土壤样本冷冻保存用于其他土壤酶活性的测定，并采用曲贵伟等[13]所用方法。

1.4 数据分析

所有数据采用Statistica 8.0软件进行通用线性模式分析，用Newman-Keuls法在P<0.05水平下检验平均值之间的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 UDP对Cd污染土壤上高粱生长的影响

表4结果表明， UDP处理极大地促进了高粱生长，其植株生物量比没有处理的(PL)提高了约6.5倍，PL处理的高粱生长则受到了严重抑制，同时UDP处理高粱地上部Cd的含量为39.5 g/pot, 仅为PL处理的34.5%，两处理之间差异显著。高粱生长的明显改善，使该处理每栽培钵高粱吸收Cd的总量也比没有处理的明显增加了约1.5倍。

表4 高粱生物量、植株地上部Cd含量和每钵总吸Cd量

注：竖排数值后字母不同的代表在Newman Keuls

p<0.05下差异显著。

从图1可以看出，UDP处理显著降低了高粱地上部植株中抗氧化酶CAT、SOD 和APX的活性，是没有UDP的处理的16.9%、22.2%和13.1%，差异明显。

2.2 UDP对污染土壤的影响

图2显示，无论有无高粱生长，UDP处理的土壤有效Cd(0.01 mol·L-1CaCl2交换Cd)的含量均显著下降，比没有处理的土壤分别下降了46.2%～50.0%和37.3%～42.6%。尽管高粱生长在一定程度上降低了的土壤有效Cd的含量，但与没有高粱的相比差异并不显著。UDP处理虽然在一定程度上改善了土壤脱氢酶的活性，但与其他处理相比差异并不明显(见图2)。然而土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、脲酶、纤维素酶和蛋白酶等水解酶的活性则显著增强，其中没有高粱的UDP处理比没有UDP的处理分别提高了23.8%～87.6%、20.2%～24.9%、107.7%～285.7%、94.8%～130.6%和88.9-183.3%；而高粱的生长则进一步改善了UDP处理土壤水解酶的活性，分别比其他处理提高了54.9%～134.7%、40.7%～46.2%、65.4%～514.3% 、213.8%～271.4%和200.0%～350.0%，差异显著(图2)；与CK相比，虽然PL处理中高粱生长在一定程度上提高了土壤水解酶的活性，但除了β-葡萄糖苷酶活性增加显著外，而其他的酶活性变化均不明显。

表5显示，试验中测试的几种水解酶活性的变化与土壤中0.01 mol/L CaCl2交换Cd的含量均呈现显著的负相关。

表5 土壤中0.01 mol/L CaCL2交换

注：数值后的*表示该相关系数在P<0.05下检验显著。

3 讨论

3.1 UDP对土壤有效Cd的含量及高粱生长的影响

试验土壤中0.01 moL·L-1CaCl2交换Cd的含量约占土壤全Cd的一半(见表2)，属于重度污染，一般情况下不适合种植食用作物，类似这种土壤应该被闲置或修复后再利用，也可以用于种植能够生产生物能源的作物如高粱。研究表明高粱属植株可以在50 mg·kg-1Cd的土壤中生长，对Cd的富集能力也远超过对Pb的富集[20-21]。试验结果也表明在这种重度Cd污染的土壤上没有使用UDP处理的高粱生长虽然受到明显的抑制, 但仍然能够获得一定的生物量(见表4)，说明高粱对于Cd污染具有一定的耐受能力。UDP的应用极大地改善了高粱生长(见表4)，这与UDP对土壤中Cd的较强的吸附作用有关，之前的研究发现虽然废弃尿不湿中聚合物比未经使用的吸附Cd2+含量的明显下降，但仍具备较强吸附能力[14]，因此UDP的应用可显著降低污染土壤中有效Cd(0.01 mol·L-1CaCl2交换Cd)的含量(见图2)，极大缓解了Cd2+对高粱生长的抑制作用，也促使植株中Cd2+的含量也显著下降(见表4)。然而UDP处理上高粱生物量的明显提高对于降低进土壤中Cd的含量起到一定的促进作用，在仅仅两个月的时间里，每钵植株总吸收Cd的数量约为该处理土壤中0.01moL/L CaCl2交换Cd总量的6.5%(见表3)，同时高粱吸收Cd的数量39.5 mg·kg-1也远超过植物修复的基本要求(10 mg·kg-1)(见表4)，尽管其对Cd含量的降低没有达到显著的水平，这与土壤中有效Cd基数太高或者试验时间较短有关。

SOD是植物体内清除活性氧的第一个发挥作用的抗氧化酶，将超氧物阴离子自由基-O2快速歧化为H2O2和分子氧，而CAT和 APX则均与细胞内H2O2的移出有关。研究表明在Cd胁迫下，小麦、玉米和空心菜等植株体内的SOD、CAT和APX的活性将明显增强以应对植株体内活性氧产物的积累[22-24]。然而在试验中由于UDP的应用使植株中的Cd含量显著下降(表4)，大大缓解了Cd的毒害作用，使植物体内活性氧产物或过氧化物含量下降，从而造成抗氧化物酶活性明显低于没有UDP处理的植株(见图1)。

3.2 UDP对土壤酶活性的影响

一般情况下，重金属污染会导致大多数土壤酶的活性下降，尤其在严重污染的土壤中，因此土壤酶活性通常用作土壤重金属污染修复效果的评价指标[25]。在试验中，UDP处理明显增强了土壤中除脱氢酶外其他水解酶的活性，这主要归因于UDP的应用造成的土壤中有效Cd含量的显著下降(见图2)，减轻了Cd对土壤水解酶的抑制作用，从而使其活性得到明显增强，试验结果也表明土壤中各种水解酶与交换Cd含量均呈显著负相关(见表5)。此外高粱生长的显著提高必然促进根系分泌物的增加，可为土壤酶提供更多底物，进一步的刺激了土壤水解酶的活动，从而使UDP+PL处理的土壤水解酶活性得到更明显的改善。这些结果与之前在长期重金属污染的矿区土壤上的研究基本一致[13]。然而在没有UDP的处理中，植株生长对于大多数土壤酶的活性改善并不显著(β-葡萄糖苷酶活性除外)，这可能是因为土壤中过高的有效Cd含量以及较低的植株生物量使Cd对酶活性的抑制作用远超过了因植株生长所带来的促进作用，而β-葡萄糖苷酶活性不同于其他酶活性的变化似乎说明其对因植株生长所带来的土壤有效Cd的细微下降更敏感，而这种结果有待于进一步研究明确。

土壤脱氢酶活性主要反映土壤微生物新陈代谢的整体活性。在研究中脱氢酶对废弃尿不湿处理反应不明显，而之前的研究却表明对铅砷污染的矿山土壤长达9个月的修复中尿不湿SAP显著改善了土壤脱氢酶的活性[13]，这中差异可能是由于土壤中重金属有效性的差异即长期重金属污染土壤中重金属有效性较低，而本研究中土壤有效性Cd的含量则较高，因此对脱氢酶的影响也不同。或者因为废弃尿不湿作用于污染土壤的时间较短，可能使其对土壤脱氢酶活性的改善还没有达到显著水平，研究表明在使用0.4%高吸水性物质聚丙烯酸盐修复长期重金属污染土壤上在4个月时间内也无法促进脱氢酶活性的显著提高[11]，而聚丙烯酸盐和尿不湿中高吸水性物质在吸附重金属离子和保水性能上基本相似[13]。同时土壤微生物种群的变化会使其对Cd污染产生了一定的抗逆性或者该土壤中的微生物对高Cd胁迫有较强的适应性[26]。此外有研究表明禾本科作物如玉米的生长对Cd和Pb污染的土壤中脱氢酶的改善并不显著[27]，因此土壤脱氢酶对于高粱生长的反应不敏感也可能是原因之一。以上结果表明土壤脱氢酶似乎不适合用于评价废弃尿不湿和高粱生长在短时期内对Cd污染土壤的影响。

4 结论

废弃尿不湿中聚合物(UDP)明显降低了土壤中CaCl2交换Cd的含量，使高粱地上部Cd的含量显著下降，减轻了Cd2+对高粱植株的毒害作用，导致过氧化物酶CAT、APX和SOD的活性下降，高粱的生长得到了极大的改善。同时土壤有效Cd含量的下降结合高梁生长明显增强了土壤中与C、N、P养分循环相关的酶(葡萄糖苷酶、脲酶、纤维素酶、蛋白酶、酸性磷酸酶等)的活性，进而改善了Cd污染土壤性质。此外高粱在两个月的生长时间里Cd的总提取量超过了该处理土壤有效Cd总量的6%，对于降低污染土壤的有效Cd库有积极的促进作用。综上所述我们认为废弃尿不湿中聚合物和高粱在修复重金属污染土壤修复方面必将有很好的应用前景。

[1]ZHOU Q H, ZHENG N, LIU J S, et al. Residents health risk of Pb, Cd and Cu exposure to street dust based on different particle sizes around zinc smelting plant, Northeast of China[J] .Environmental Geochemistry and Health, 2015, 37,(2): 207-220.

[2]PARISIEN M A，RUTTER A，ZEEB B A. Feasibility of using phytoextraction to remediate a compost-based soil contaminated with Cadmium[J]. International Journal of Phytoremediation, 2015, 17(11):1137-1143.

[3]唐秋香，缪新.土壤镉污染的现状及修复研究进展[J].环境工程, 2013(S1): 754-757.

[4]SCHOLZ R W, SCHNABEL U. Decision making under uncertainty in case of soil remediation[J]. Journal of Environmental Management，2006, 80:132-147.

[5]SOUDEK P, SOUDEK P, PEDROV S, et al. Accumulation of heavy metals usingSorghumsp. [J].Chemosphere, 2014,104:15-24.

[6]籍贵苏, 严永路, 吕芃, 等. 不同高粱种质对污染土壤中重金属吸收的研究[J]. 中国生态农业学报, 2014,22(2):185-192.

[7]GUPTA D K, SANDIOLO L M. Metal toxicity in plants: perception, signaling and remediation [M].Heidelberg: Springer，2012：264.

[8]SHAH K，NAHAKPAM S. Heat exposure alters the expression of SOD, POD, APX and CAT isozymes and mitigates low cadmium toxicity in seedlings of sensitive and tolerant rice cultivars [J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2012, 57(8):106-113.

[9]STEFANIAK T R, ROONEY W L. Breeding Sorghum as a Bioenergy Crop[M]∥Bioenergy Feedstocks: Breeding and Genetics，2013: 83-116.

[10]CHMIELEWSKA J, DZIUBA E, FOSZCZYNSKA B, et al. Sorghum grain as raw material for bioethanol production [J]. Przemysl Chemiczny,2014,93(8):1390-1392.

[11]曲贵伟, VARENNES A D, 依艳丽. 聚丙烯酸盐的对长期重金属污染的矿区土壤的修复研究(II)——对土壤微生物量和酶活性的影响 [J].农业环境科学学报, 2009，28(4): 653-657.

[12]曲贵伟, VARENNES A D, 宋林, 等. 聚丙烯酸盐对重金属污染矿区土壤本地植株生长和土壤性质的影响 [J].农业环境科学, 2012, 31(3): 504-509.

[13]曲贵伟, VARENNES A D. 尿不湿中高吸水性聚合物对矿区土壤的修复及紫花漆姑草(Spergularia purpurea)生长的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2013，32(7)：1348-1354.

[14]黄胜君, 郝娟, 曲贵伟, 等. 不同尿不湿高吸水性物质吸附重金属离子研究 [J]. 辽东学院学报(自然科学版),2015, 22(4)：260-265.

[15]OJEDA-BEN TEZ S, ARMIJO-DE VEGA C, MARQUEZ-MONTENEGRO M Y. Household solid waste characterization by family socioeconomic profile as unit of analysis [J]. Resources Conservation & Recycling. 2008, 52: 992-999.

[16]2014-2020年中国婴儿纸尿裤市场监测与发展趋势预测报告权威版[EB/OL]. 2014, 中企顾问网(http://www.cction.com).

[17]AEBI H E. Methods of enzymatic analysis(iii): oxidoreductases, transferases[M]. Verlag Chemie,Weinheim, 1983:273-277.

[18]ALI M B, SINGH N, SHOHAEL A M, et al. Phenolics metabolism and lignin synthesis in root suspension cultures of Panax ginseng in response to copper stress [J]. Plant Science, 2006, 171: 147-154.

[19]RUBIO M C, GONZLEZ E M. Effects of water stress on antioxidant enzymes of leaves and nodules of transgenic alfalfa overexpressing superoxide dismutases [J]. Physiologia Plantarum. 2002. 115: 531-54.

[20]刘大林，曹喜春，张华，等. 铅、镉胁迫对饲用高粱生长及铅、镉吸收和累积的影响[J]. 草地学报, 2014, 22(4):776-782.

[21]张树攀. 高粱属牧草对土壤重金属镉的响应及富集效应的研究[D]. 扬州：扬州大学, 2010：14.

[22]李春喜, 张志娟, 张戴静,等. Cu2+、Cd2+胁迫对小麦幼根SOD活性及基因表达的影响[J]. 中国农业科技导报, 2011，13(4): 92-98.

[23]吴琦, 季辉, 张卫健.土壤铅和镉胁迫对空心菜生长和抗氧化系统的影响[J].中国农业科技导报, 2010, 12(2): 122-127.

[24]KUMAR P, TEWARI R K, SHARMA P N. Cadmium enhances generation of hydrogen peroxide and amplifies activities of catalase, peroxidases and superoxide dismutase in maize[J]. J Agron & Crop Sci, 2008, 194: 72-80.

[25]李德生, 孟丽, 李海茹. 重金属污染对土壤酶活性的影响研究进展[J].天津理工大学学报, 2013, 29(2): 60-64.

[26]MERGEAY M. Bacteria adapted to industrial biotopes: Metal-resistant Ralstonia∥STORZ G, HENGGE-ARONIS R. Bacterial stress responses [M]. ASM Press, 2000: 403-414.

[27]高扬, 毛亮, 周培, 等. Cd、Pb污染下植物生长对土壤酶活性及微生物群落结构的影响[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2010(3): 339-345.

(责任编辑：龙海波)

Remediation effect of polymer in used baby diaper on Cd-contaminated soil

QU Gui-wei

(SchoolofUrbanConstruction,EasternLiaoningUniversity,Dandong118003,China)

A pot experiment was conducted to investigate the effect of polymer in used baby diaper on Cd-contaminated soil and sorghum growth. The results of the contrast experiment showed that the plant biomass of sorghum was increased by 6.5 times. The Cd content in superficial soil was 65.5% less than that of the untreated soil. The activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and ascorbate peroxidase (APX) in sorghum were significantly decreased. The concentrations of soil CaCl2extractable Cd were remarkably reduced by 46.2%-50.0% and 37.3%-42.6%. The polymer together with the sorghum growth remarkably enhanced the activities of glucosidase, phosphatase, urease, cellulose and protease. Besides, the extraction amount of Cd of the sorghum was 39.5 mg/kg, too more than the threshold of phytoremediation (10 mg/kg) and 6% of the Cd in the soil was extracted.

polymer in used diaper; sorghum growth; Cd-contaminated soil

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.01.05

2016-11-02

第46批教育部出国留学人员启动基金；辽东学院博士启动基金(165)

曲贵伟(1970—)， 男，辽宁瓦房店人，博士，研究方向:重金属污染土壤修复。

X53

A

1673-4939(2017)01-0021-07