皂素废水改良蓝莓土壤的重金属安全性评价*

高 琪，陈志远,2，刘艳妮

（1 陕西理工大学生物科学与工程学院，汉中 723000）（2 陕西理工大学陕西省资源生物重点实验室）

蓝莓（Blueberry）是杜鹃花科越橘属植物[1]，多年生灌木小浆果果树[2]，富含花青素等多种黄酮类成分[3]，具有抗氧化、清除自由基、降血脂及抗肿瘤等多种生物学功能[4-5]。蓝莓对土壤条件要求苛刻，适宜栽培在有机质含量高、肥沃疏松、排灌良好的酸性土壤中[6]。从气候条件来看，我国适宜种植蓝莓的地区较多，如北方沿海湿润地区、黄河以南地区、长江流域以南地区、华南等地区，但从土壤条件来看，大部分地区都需要进行土壤酸性改良。当土壤pH 值大于5.5 时，通常就会使用硫磺粉进行土壤酸性改良[7]。但硫磺粉改良土壤酸性存在改良不均匀、容易出现死苗的问题。

皂素废水是盾叶薯蓣在提取皂素加工过程中产生的高浓度有机废水，具有酸度强、有机质含量高等特点[8-9]。皂素废水中主要污染物为硫酸、葡萄糖、鼠李糖，其pH 值为1.0～2.5。本课题组利用皂素废水强酸性、纯有机无污染的特点，前期建立了使用皂素头道废水改良土壤种植蓝莓的技术。蓝莓作为一种经济作物，在我国的栽培时间虽然短，但其发展的速度快，随着当前社会经济水平和人们健康意识的提高，消费者对蓝莓等健康水果品质要求提升的同时，更加看重其安全性，所以本课题组进一步对该技术的重金属安全性进行评估。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鲜黄姜、工业硫酸、酸水解物及皂素行业头道废水由陕西省城固县振华生物科技有限责任公司提供；供试蓝莓品种为南高丛蓝莓‘绿宝石’，其1 年生营养钵苗购自山东连邦蓝莓产业有限公司；硫磺粉（长征，中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司，纯度99%）；浓硫酸（济南源飞伟业有限公司，纯度98%）。

1.2 试验方法

1.2.1 皂素的生产工艺

城固县振华生物科技有限责任公司采用的皂素生产工艺如图1 所示。鲜黄姜经过浓硫酸酸解处理后，会产生三道废水，其中能用于蓝莓土壤酸性改良的是头道废水，含1%硫酸，6%～8%淀粉、单糖、双糖等有机质，91%水。

图1 黄姜提取皂素硫酸水解工艺路线图

1.2.2 盆栽蓝莓的定植

在25 cm×16.5 cm 的塑料花盆中，统一装填3/4腐熟好的锯末（pH 值6.72±0.04），分别按照以下组别设4 个处理：硫磺处理组，盆中锯末与10 g 硫磺粉拌匀；稀释废水组，定植后使用pH 值4.8 的稀释废水浇灌锯末；稀释硫酸组，定植后使用pH值4.8 的稀硫酸浇灌锯末；高剂量对照组，定植后使用pH 值4.8 的稀硫酸浇灌锯末，稀硫酸中加入10 mg/L As 和0.1 mg/L HgSO4，加入量为农田灌溉水质标准GB 5084—2005（As≤0.1 mg/L、Hg≤0.001 mg/L）最大值的100 倍。每隔1 个月浇灌500 mL，共浇灌4 次。

将1 年生蓝莓苗统一定植于上述处理组花盆中，定植时间为2019 年3 月30 日，露地统一安置，定植前使用1 000 mL 自来水（pH 值6.78±0.08）浇灌，定植后每隔5～10 d 浇灌1 次，每次500 mL，其中硫磺处理组为自来水，稀释废水组为pH 值4.8的稀释废水，稀释硫酸组为pH 值4.8 的稀释硫酸，高剂量对照组日常浇灌pH 值4.8 的稀释硫酸。根据雨天和旱天情况统一缩短或延长浇灌间隔。

1.2.3 蓝莓生长指标的测定

生物量的测定：将生长152 d 的蓝莓植株从盆栽中完整取出，轻柔洗净根部泥土，晾干。在鼓风干燥箱（101-3AB，天津市泰斯特仪器有限公司）中40 ℃下彻底干燥后称重，记为植株生物量。株高的测定：取洗净晾干后的蓝莓植株，使用直尺测量根地交接处到顶部之间的距离，即为蓝莓株高。根数的测定：去掉地上部分后计算根基部的根数。根长的测定：对盆栽蓝莓的粗根定义为直径≥3 mm，细根定义为直径＜3 mm。粗根直接测量长度，细根先测量其总重量，然后选出一部分进行称重测量长度，根据得出的长度按照重量比例换算出细根总长度，将粗根长度和细根长度合并后记为根长。根系体积的测定：使用水位取代法[10]计算根系体积。根系活力的测定：使用α-萘胺氧化法[11]测定根系活力。

1.2.4 土壤酶活力的测定

土壤脲酶采用比色法[12]进行测定；土壤蔗糖酶采用3,5—二硝基水杨酸比色法[12]进行测定；土壤磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法[13]进行测定；土壤过氧化氢酶采用紫外分光光度法[14]进行测定。

1.2.5 重金属镉、铅、砷、汞的测定

将待测样品烘干后打成粉末测定其中的重金属含量。镉（Cd）含量的测定方法参照DB22/T 1688—2012 肥料中砷、镉、铅、铬含量的测定 电感耦合等离子体光谱法[15]。铅（Pb）含量的测定方法参照SL 327.4—2005 水质 铅的测定 原子荧光光度法[16]。砷（As）、汞（Hg）含量的测定使用原子荧光光谱法[17]。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 22.0 软件进行统计学分析，采用新复极差法进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 皂素废水的重金属溯源分析

用于蓝莓土壤酸性改良的是硫酸水解黄姜提取皂素工艺中产生的头道废水，因此可以将图1 简化，并做物料衡算，如图2 所示。

图2 皂素简化生产工艺和物料衡算

按照图2 的简化生产工艺，分别测定原料和产物中的重金属As、Hg、Pb、Cd，结果如表1 所示。由表1 可知，重金属Pb 和Cd 含量较低，在原料和产物中均未检出，而As 和Hg 均有检出。其中鲜黄姜中的As 占总原料As 的41.1%，工业浓硫酸中的As 占总原料As 的58.9%，头道废水中的As 占总产物As 的84.1%，酸水解物中的As 占总产物As 的15.9%。说明As 的主要来源是工业浓硫酸，主要去向为头道废水。鲜黄姜中的Hg 占总原料Hg 的18.9%，工业浓硫酸中的Hg 占总原料Hg 的81.1%，头道废水中的Hg 占总产物Hg 的36.6%，酸水解物中的Hg 占总产物Hg 的63.4%。说明Hg 的主要来源是工业浓硫酸，主要去向为酸水解物。总体而言，重金属溯源分析结果表明，工业浓硫酸是皂素生产过程中原料重金属的主要来源。

表1 原料与产物中的重金属含量 g

2.2 在蓝莓种植中的重金属评价

头道废水pH 值为0.1～0.7，应用于蓝莓土壤酸性改良时，需要使用灌溉水稀释至4.8，本试验中稀释倍数为75 倍。测定头道废水及稀释废水中的重金属As、Hg、Pb、Cd 浓度，以农田灌溉水质国家标准GB 5084—2005 为参考水平，如图3 所示。Pb 及Cd 依然未检出，As 和Hg 是稀释废水中的主要重金属，其中稀释废水中As 的浓度是灌溉标准上限的 2.78%，Hg 的浓度是灌溉标准上限的71.92%。该结果说明皂素头道废水中虽然As 和Hg的含量较高，但使用时需要稀释75 倍，对稀释废水中的As 和Hg 的浓度影响较小，因此，只要是当地的灌溉水质符合农田灌溉水标准，就可以用来稀释皂素头道废水。

图3 废水中的重金属浓度

将种植了152 d 的蓝莓植株完整取出并拍照。从表观形态可以看出稀释废水组、稀释硫酸组、硫磺处理组、高剂量对照组的蓝莓植株均能够正常生长，但高剂量对照组的主枝基部叶片有泛红情况发生（图版1）。测定4 组处理下的蓝莓各项生长指标，结果如表2 所示。在根数、根体积和根系活力方面，4 组处理之间均没有显著差异，但在生物量、根长、叶片数、分枝数等指标上，硫磺处理组是其他3 组的2 倍以上，即硫磺处理组的蓝莓植株长势显著优于其他3 组，其他3 组的蓝莓植株长势无显著性差别。

表2 不同处理组蓝莓植株生长情况

测定蓝莓植株根、茎、叶3 个部分中的As、Hg 含量，结果如图4 所示。在根中As 含量由高到低依次是高剂量对照组＞硫磺处理组＞稀释硫酸组＞稀释废水组，在茎和叶中As 含量由高到低依次是高剂量对照组＞硫磺处理组＞稀释废水组＞稀释硫酸组；在根和叶中Hg 含量由高到低依次是高剂量对照组＞稀释废水组＞硫磺处理组＞稀释硫酸组，在茎中Hg 含量由高到低依次是高剂量对照组＞稀释废水组＞稀释硫酸组＞硫磺处理组。从结果来看，蓝莓植株根、茎、叶中的As、Hg 含量与土壤中的As、Hg 含量密切相关，高剂量对照组的根、茎、叶中As、Hg 含量要远高于其他3 组，稀释废水组比硫磺处理组的根、茎、叶中As 含量更低、Hg 含量要略高。

图4 蓝莓植株根、茎、叶中As、Hg 的含量

检测4 组处理的土壤酶活力，结果如表3 所示。高剂量对照组的土壤蔗糖酶活力显著低于其他3组，说明土壤中过量的As 和Hg 会影响到土壤中的碳代谢。与硫磺处理组相比，稀释废水组的蔗糖酶活力、脲酶活力、磷酸酶活力要略高，过氧化氢酶活力则略有降低。

表3 不同处理组土壤酶活力 mg/g

3 讨论与结论

皂素废水作为难处理的高浓度有机废水，一般的研究都针对其COD 值，而同时处理其中重金属含量的研究较少，如李祥等[18]研究了微电解预处理黄姜皂素废水的最优组合，可使COD去除率达40.2%；抗新新等[19]使用铁碳微电解-Fenton 氧化-EM 菌处理工艺，COD 去除率为88.04%；方志斌[20]采用除硫酸盐预处理-UASB-MBR 工业，对COD 的去除率可达92%。彭星[21]研究发现皂素行业的重金属主要流向是皂素废水。本试验在对皂素头道废水进行重金属溯源分析后发现，头道废水中的As 占总产物As的84.1%，头道废水中的Hg 占总产物Hg 的36.6%，且皂素废水中的As 和Hg 主要来源于工业硫酸，若可以更换重金属含量低的高等级工业硫酸应用于皂素生产，即可降低皂素废水中的重金属含量。

目前国内外对蔬菜及作物的重金属富集特征进行了大量的研究，而对于蓝莓等水果的重金属污染研究比较少见[22]。张子木[23]对长株潭蓝莓的重金属富集特征进行了研究，无处理下蓝莓As 含量为：根1.13 mg/kg、多年生茎0.58 mg/kg、1 年生茎0.55 mg/kg、叶0.28 mg/kg，Hg 含量为：根0.03 mg/kg、多年生茎0.004 mg/kg、1 年生茎0.004 mg/kg、叶0.03 mg/kg；化肥浇施处理下蓝莓As 含量为：根2.11 mg/kg、多年生茎0.86 mg/kg、1 年生茎0.30 mg/kg、叶1.28 mg/kg，Hg 含量为：根0.02 mg/kg、多年生茎0.01 mg/kg、1 年生茎0.01 mg/kg、叶0.02 mg/kg。表明蓝莓在施肥后重金属含量会有所上升。

从本研究蓝莓根、茎、叶中的As 含量结果来看，硫磺处理组和高剂量对照组均表现为根>茎>叶，但茎与叶含量相差不大，与张子木[23]的研究规律一致；而稀释废水组和稀释硫酸组的根、茎、叶中As 含量低于硫磺处理组，但4 组处理的蓝莓根、茎、叶As 含量均略高于张子木[23]的测定结果。郑培源[24]研究发现，酸性土壤可增大汞的溶解度，使汞易于迁移、转化及吸收。从本试验蓝莓根、茎、叶中的Hg 含量来看，4 组处理均为叶＞根＞茎，但本试验中硫磺处理组、稀释废水组、稀释硫酸组的蓝莓根、茎、叶Hg 含量均低于张子木[23]的测定结果。

张文华等[25]对贵州省麻江县6 个主要栽培区18件蓝莓果实样品中的Cr、Cu、Zn、As、Pb、Cd 的含量进行了检测，结果表明As 污染最严重、Cd 污染最小，且As 的单因子污染指数最高。在本研究中发现，皂素稀释废水处理组的As 含量要略低于硫磺处理组，而Hg 含量要略高于硫磺处理组。梁尧等[26]认为，在众多的重金属元素中，对植物的毒性高低表现为Hg>As>Cd=Cu>Pb>Cr。因此，皂素头道废水在应用于蓝莓土壤改良之前最好能使用活性炭等方式进行预处理，进一步降低重金属As、Hg 的含量，保障蓝莓种植的安全性。