柠檬酸废水联合豆科植物修复镉污染土壤的影响研究

王瑛 罗 鹏 刘林

摘要 [目的]探究柠檬酸废水施加对植物镉吸收效率的影响。[方法]在植物生长过程中施加柠檬酸废水，使用Tessier五步连续提取法检测土壤中镉形态的变化情况。[结果]添加柠檬酸废水能够提高植物对总镉的吸收，并且吸收效率随着施加柠檬酸废水浓度的升高及试验时间的延长而升高。与总镉吸收情况不同的是75%的柠檬酸废水浓度对可交换态镉的吸收效率最高。在整个试验周期中，土壤中可交换态镉在总镉中的占比都有所提升，其中75%的柠檬酸废水处理下可交换态镉在总镉中的占比提升最明显;残渣态镉及碳酸盐结合态在总镉中的比例则出现了逐渐下降的趋势;而铁锰氧化态和有机态的占比在试验周期内没有明显变化。[结论]随着柠檬酸废水的施加，残渣态镉和碳酸盐结合态镉有向可交换态镉转化的趋势。其中，高浓度柠檬酸废水（如75%与100%）转化趋势比低浓度柠檬酸废水及去离子水更明显。

关键词 镉污染;植物修复;低分子量有机酸;柠檬酸废水;Tessier五步连续提取法

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2020）14-0069-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.019

Abstract [Objective]To explore effects of citric acid wastewater on plant cadmium absorption efficiency. [Method]Citric acid wastewater was added into soil during the growth of plants， and the soil Cd was divided into five forms by Tessier classification method to understand the dynamic changes of Cd in soil. [Result]Results showed that citric acid wastewater increased the adsorption of total Cd by plants and the adsorption rates were rising with the increasing of citric acid wastewater concentrations and prolong of time. Different to the total Cd， the highest adsorption rates of exchangeable Cd occurred under the 75% relative concentration of citric acid wastewater. During the whole test， the proportion of exchangeable Cd was increased， especially under the treatment of 75% citric acid wastewater; the proportions of residual Cd and carbonate-bounding Cd were decreased gradually; while proportions of Fe-Mn oxidation Cd and organic Cd didnt change significantly. [Conclusion]With the application of citric acid wastewater， residual Cd and carbonate-bounding Cd have a tendency to convert to exchangeable Cd. Among them， the conversion trend of high concentration citric acid wastewater （such as 75% and 100%） is more obvious than that of low concentration citric acid wastewater and deionized water.

Key words Cadmium contamination;Phytoremediation;Low molecular weight organic acid;Citric acid wastewater;Tessier five-step continuous extraction method

土壤鎘污染是一个世界范围的环境问题。2014年4月17日公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，镉的点位超标比例占全国所有调查点位的7% [1]。由于镉污染问题突出，有关镉污染土壤的修复研究也得到了广泛关注。众多研究人员发现，普遍存在于土壤和根系分泌物中的低分子量有机酸会对土壤中镉的形态和生物有效性产生影响[2-4]。有机酸包括了柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、草酸及酒石酸等多种有机酸类型[5-7]。基于低分子量有机酸对土壤镉生物有效性的影响，众多学者研究了有机酸对镉污染土壤的修复作用。其中，柠檬酸对镉污染土壤的修复作用也被众多学者所认可[8-10]。目前关于有机酸对土壤镉生物有效性的影响研究主要集中在2个方面：①利用外源有机酸对土壤镉生物有效性的影响，其成本较高，一般仅限于实验室研究，不适合大规模推广;②利用植物根际产生或土壤环境中存在的有机酸，其量通常受到植物生长及外界环境的影响较大。因此，寻找廉价的有机酸是修复镉污染土壤的可行途径。

柠檬酸废水是一种高浓度有机废水，主要以红薯根、玉米秸秆等农作物为生产原料，通过深层发酵法来进行生产，其成分大多可通过微生物降解的方式去除，对环境比较友好[11-12]。已有相关学者利用柠檬酸废水对镉污染土壤的修复进行了研究。如顾莹莹等[13-14]研究了可能对柠檬酸废水修复镉污染土壤产生影响的相关因素（如pH、柠檬酸废水浓度及主要作用成分），同时也利用柠檬酸工业废水强化电化学法对镉污染土壤进行了修复。大部分涉及有机酸修复镉污染土壤的研究都仅限于对总镉生物有效性变化的阐述，鲜见对修复过程中涉及的镉形态转化比较详尽的相关研究。鉴于此，笔者主要研究在镉污染条件下施加柠檬酸废水对土壤中有效态Cd含量及Cd形态组成的影响，同时探究柠檬酸废水施加对植物吸收镉效率的影响，以期为植物修复土壤重金属污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

所用土壤取自四川省绵阳市高新区，深度为0～20 cm。土壤经风干、碾碎、过1 mm孔筛、混匀后贮存备用。土壤基本理化性质为pH 7.4，有机质2.7 g/kg、总氮843.3 mg/kg、总磷412.9 mg/kg、总镉0.92 mg/kg。

1.2 柠檬酸工业废水

试验所用的柠檬酸废水是根据典型柠檬酸废水的主要化学成分配制而成[14]，pH 3.9，其成分配比如表1所示。

1.3 试验设计

采用土培盆栽，称取32 kg过1 mm筛的风干土壤，按照2.5 mg/kg Cd向土壤投加CdNO3，为保证植物生长，1 kg土分别施N（以尿素计）50 mg、P（以KH2PO4计）30 mg、K（以KH2PO4计）30 mg，每盆（高 10.5 cm、内径 16.5 cm）装土 2 kg，培育7 d。

试验设置不同柠檬酸废水浓度梯度：0、50%、75%和100%的原废水浓度（表1），共 4个处理，每个处理2次重复，另外设置有无植物对照，共计16盆。其中8盆每盆播入10粒饱满健康的大豆，10 d 后定苗 3株，另外8盆作为对照处理。每5 d浇灌1次不同浓度柠檬酸废水，每次50 mL，每周采集1次土样并测定各镉形态浓度，共采集35 d。

1.4 测定方法

土壤经自然风干后，过20目筛，供分析测定。 土壤pH 、有机质均采用常规分析方法测定。

土壤总镉采用原子吸收光谱法测定。土壤各种镉形态采用Tessier五步连续法提取[15]，并用原子吸收光谱法测定各形态含量。

1.5 数据处理与分析

所有数据采用 Microsoft Excel 2016进行统计分析并制图。

相关结果计算公式如下：

植物对镉的吸收率=试验前土壤中镉浓度-试验周期内土壤中镉浓度试验前土壤中镉浓度 ×100%

2 结果与分析

2.1 柠檬酸废水施加对植物镉吸收效率的影响

不同浓度柠檬酸废水及去离子水对植物吸收土壤总镉的影响明显（图1），随着柠檬酸废水浓度的升高，植物对土壤总镉的吸收率就越高。同时，随着时间的延长，植物对土壤总镉的吸收率也逐渐升高，在100%柠檬酸废水的作用下，植物对土壤总镉的吸收率从第1周的19%增加到第5周的44.4%;浓度为75%的柠檬酸废水将植物对土壤总镉吸收率从2%提高到37.5%;浓度为50%的柠檬酸废水则将植物对土壤总镉吸收率从22.7%提高到37.5%。然而，去离子水对植物吸收总镉的效率随着时间的延长没有明显变化，在试验周期内的变化范围为5%～8%。这说明柠檬酸废水的施加可以提高植物对总镉的吸收效率，并且柠檬酸废水浓度越高越有利于植物对总镉的吸收，同时吸收效率也随着时间延长而增加。

与总镉不同的是，可交换态镉作为最容易被植物吸收的镉形态，在75%的柠檬酸废水作用下最有效地促进了植物对其的吸收，而且在整个试验周期内，植物对可交换态镉的吸收率呈现了先上升后下降的趋势，其峰值出现在第3周至第4周，分别为96.0%和97.4%。然而，原始浓度及50%浓度柠檬酸废水以及去离子水对植物吸收可交换态镉的效率区别不大，而且在整个试验周期内没有出现较大的起伏。

植物对土壤总镉与可交换态镉的吸收情况有所差异，这说明植物可能除了能够直接吸收可交换态镉以外，对其他形态镉也有所吸收。此外，总镉的吸收效率随着柠檬酸废水浓度的升高和试验时间的延长而升高，然而可交换态镉则在75%柠檬酸废水的处理下达到最高的吸收效率，并在试验的第3至第4周达到峰值，说明可交换态镉的释放受到柠檬酸废水浓度和pH影响较大，这是由于柠檬酸的施加对于土壤重金属生物有效性的影响是多方面的，一方面能够增加土壤重金属的溶解，但另一方面柠檬酸作为一种有机物质，又可以增加土壤中重金属的非饱和吸附点位[15]。因此中等浓度的柠檬酸废水对于可交换态镉的释放效果最佳。

2.2 柠檬酸废水施加对土壤镉形态的影响

在不同浓度柠檬酸废水及去离子水的处理下，随着试验时间延长，可交换态镉在总镉中的占比都有所提升。其中75%的柠檬酸废水处理下可交换态镉在总镉中的占比提升最明显，从29.1%提升到43.4%。原始浓度的柠檬酸废水将可交换态镉的比例从30.2%提升到39.7%，50%的柠檬酸废水将可交换态镉的比例从29.3%提升到35.1%，去离子水则将该比例从21.4%提高到27.5%。然而随着试验时间的延长，难被植物吸收的残渣态镉在总镉中的比例则出现了逐渐下降的趋势，其中原始浓度的柠檬酸废水将该残渣态镉的比例从9.8%降至4.8%，75%的柠檬酸废水处理下残渣态镉的比例从15.7%降至2.2%。50%的柠檬酸废水将残渣镉的比例从12.2%降至1.7%，去离子水则将残渣镉的比例从13.9%降至3.6%。此外，碳酸盐结合态镉占比在所有处理下都呈现一定程度的下降趋势，而铁锰氧化态镉和有机态镉的占比在试验周期内无明显变化。这说明随着柠檬酸废水的施加，残渣态镉和碳酸盐结合态镉有向可交换态镉转化的趋势。高浓度柠檬酸废水（如75%与100%）转化趋势比低浓度柠檬酸废水及去离子水更高，这与黄翠红等[16-19]的研究结果相符。他们认为柠檬酸在低浓度时对土壤pH的改变较小，对金属离子活性的提高作用不明显，但在高浓度时，可以使得被氧化物固定的重金属释放出来，提高其在土壤中的可溶性。同时柠檬酸浓度为75%时，转化的趋势比其他处理更高，这同样是由于柠檬酸的施加一方面能够增加土壤镉的溶解，但另外一方面又可以增加土壤中重金属的非饱和吸附点位[15]。因此，當柠檬酸浓度过高时（如原始浓度柠檬酸废水），反而出现可交换态镉比例下降的趋势。

3 结论

（1）植物对总镉的吸收效率随着柠檬酸废水浓度的增加及处理时间延长而上升，但75%的柠檬酸废水对植物吸收可交换态镉的吸收作用最强，并且峰值出现在处理的第3周至第4周。

（2） 在柠檬酸废水的作用下，可交换态镉在总镉中的比例呈现上升趋势，其中75%的柠檬酸废水处理下可交换态镉在总镉中的占比提升最明显，然而随着试验时间延长，难被植物吸收的残渣态镉在总镉中的比例则出现了逐渐下降的趋势，碳酸盐结合态占比在所有的处理下都呈现一定程度的下降趋势，而铁锰氧化态和有机态的占比在试验周期内无明显变化。

（3）可以预见，在强化植物修复重金属Cd污染土壤方面，柠檬酸废水具有潜在应用前景。

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