韓飛宇,湯育楷,賴楨媛,裘晶晶,李真

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

鉛已被列為環(huán)境中含量最高的污染物之一。當(dāng)土壤中鉛含量超過(guò)400～500 mg·kg-1時(shí),被認(rèn)為對(duì)人類健康產(chǎn)生危害[1]。人類的生產(chǎn)活動(dòng)、礦物的開采和工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)等導(dǎo)致土壤鉛污染日益嚴(yán)重[2-3]。我國(guó)地域遼闊,擁有豐富的土壤類型。紅壤呈酸性,風(fēng)化淋溶作用強(qiáng),土層深厚、質(zhì)地黏重;砂壤呈堿性,土層深厚、質(zhì)地輕;黃棕壤則在各個(gè)方面呈現(xiàn)中性。諸多土壤環(huán)境問(wèn)題例如土壤肥力退化、土壤沙化等都與土壤質(zhì)地的變化有密切關(guān)系,探究修復(fù)材料在不同類型土壤條件下修復(fù)重金屬污染的效果差異非常必要。

磷酸鹽是目前普遍認(rèn)可的鉛修復(fù)材料,磷素可以和鉛離子反應(yīng)生成磷氯鉛礦類礦物,從而達(dá)到固定鉛的目的。骨炭是將動(dòng)物骨骼有機(jī)質(zhì)炭化后制成的材料,其主要成分為生物磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2,70%～76%][4]。生物磷灰石是牙齒和骨骼中的主要無(wú)機(jī)成分,也是骨炭進(jìn)行鉛固定的主要反應(yīng)組分。骨炭表面的炭化工藝使其固定鉛的效率高于單純的地質(zhì)磷礦石[5]。骨炭已經(jīng)被成功用于土壤重金屬修復(fù)劑[6]。骨炭與土壤中的鉛主要通過(guò)吸附、離子交換、沉淀等一系列反應(yīng)形成磷氯鉛礦等穩(wěn)定的沉淀物,從而降低鉛的移動(dòng)性和生物可利用性。通過(guò)改變骨炭燒制條件、制備納米材料與磁性材料、提高骨炭所處環(huán)境酸度以及其他土壤重金屬修復(fù)劑聯(lián)合修復(fù)等方法可以有效提升骨炭修復(fù)鉛的潛力[7]。此外,在土壤中加入骨炭能夠提供無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng),從而提高土壤肥力并促進(jìn)植物生長(zhǎng)[8]。因此,對(duì)于農(nóng)田修復(fù),骨炭的施用還兼具肥料功能,并不存在二次污染。但是,不同土壤中骨炭材料的應(yīng)用效果差異還未被詳細(xì)揭示。

磷是土壤和生物圈的重要元素,大多數(shù)磷是固定在土壤中的[9]。磷的低遷移率通常是由于與鐵、鋁、錳和可交換鈣發(fā)生礦化作用所致[10]。解磷微生物(PSM),例如細(xì)菌、真菌、放線菌等普遍具有分泌有機(jī)酸的能力,酸度提高可以促進(jìn)含磷礦物中磷的溶解,提高無(wú)機(jī)磷化合物的溶解性并增加作物產(chǎn)量[11]。與其他解磷微生物相比,解磷真菌(PSF)通常會(huì)分泌更多的有機(jī)酸,如草酸、蘋果酸、琥珀酸和檸檬酸[12]。黑曲霉(Aspergillusniger)屬于典型的解磷真菌,其在生長(zhǎng)代謝中可以產(chǎn)生以草酸為主要成分的有機(jī)酸。有機(jī)酸可以促進(jìn)骨炭的溶解和磷酸鹽的釋放,加速難溶性磷酸鉛礦的形成,從而降低鉛的移動(dòng)性和生物有效性[13]。除此之外,微生物分泌的有機(jī)酸溶解后所釋放出的有效磷,會(huì)受到微生物的隔離作用而不易被植物所吸收,這一機(jī)制在磷誘導(dǎo)的鉛固定過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[14]。黑曲霉作為微生物菌劑還尚未被廣泛應(yīng)用到實(shí)際土壤重金屬修復(fù)中。本研究首次利用解磷真菌黑曲霉復(fù)合骨炭進(jìn)行土壤重金屬鉛修復(fù)。

蔬菜對(duì)重金屬的吸收富集能力與重金屬的生物有效性有密切關(guān)系。葉類蔬菜對(duì)重金屬污染物的富集能力較強(qiáng),富集系數(shù)較高,因此對(duì)重金屬反應(yīng)十分靈敏,可以有效檢驗(yàn)土壤重金屬的生物有效性。在葉類蔬菜中,不結(jié)球白菜對(duì)重金屬的富集能力較強(qiáng)[15]。不結(jié)球白菜也是世界上種植和消費(fèi)數(shù)量較多的葉類蔬菜,因此研究不結(jié)球白菜種植土壤的重金屬修復(fù)途徑也十分必要。鉛等重金屬主要通過(guò)可溶性鹽的形式進(jìn)入不結(jié)球白菜等植物體內(nèi),當(dāng)土壤中的鉛進(jìn)入植物體后,大部分的鉛會(huì)存留在根部,其余部分鉛則運(yùn)輸至地上部。被根吸收的鉛通過(guò)橫穿根的中柱進(jìn)入導(dǎo)管,再通過(guò)蒸騰流運(yùn)至地上部。骨炭與可溶性鉛發(fā)生離子交換反應(yīng)時(shí)會(huì)釋放出鈣離子,從而進(jìn)一步促進(jìn)根系的固鉛作用,因此骨炭是不結(jié)球白菜種植土壤的潛在良好鉛修復(fù)材料。

骨炭-解磷微生物-植物根際體系在治理鉛污染土壤方面以及減少作物對(duì)鉛的富集吸收方面具有一定的潛力與發(fā)展空間。因此,本文主要探究骨炭對(duì)鉛污染土壤修復(fù)的影響以及骨炭與解磷真菌相結(jié)合修復(fù)鉛污染土壤的應(yīng)用潛力,以期為農(nóng)田重金屬修復(fù)提供新思路。

1 材料與方法

1.1 土樣的采集、處理與骨炭的制備

本試驗(yàn)采集了3種類型的土壤樣品:紅壤采集于江西省(25°53′54″N,115°24′20″E),砂壤采集于青海省(36°40′44″N,95°04′1″E),黃棕壤采集于江蘇省(32°02′44″N,118°51′4″E)。將3種類型的土壤烘干、磨碎、過(guò)篩,去掉其中的植物根系、石塊等雜質(zhì)。

選取健康豬(江蘇蘇食集團(tuán))的大腿骨,去除血液、骨髓、表面組織。豬骨粉(BAp)的具體成分用X射線熒光光譜分析(XRF)測(cè)定,其主要成分為P2O5(45.35%)、CaO(50.90%)、Na2O(19.82%)和MgO(1.40%)[16]。Chen等[16]采用X射線衍射(XRD)測(cè)定表明,隨著加熱溫度增加(300 ℃以內(nèi)),骨炭的礦物結(jié)構(gòu)并無(wú)顯著變化。為進(jìn)一步驗(yàn)證加熱溫度是否能夠改變骨炭材料的表面性質(zhì),我們分別加熱豬骨粉到175、200、225、250、275和300 ℃。樣品采用風(fēng)干處理,然后利用掃描電鏡(Carl Zeiss Supra 55 SEM)確認(rèn)其表面形貌變化。

一部分豬大腿骨樣品室溫風(fēng)干后直接研磨成豬骨粉。其余部分豬大腿骨樣品60 ℃烘干后用球磨儀研磨成細(xì)粉,然后在馬弗爐(L 3/11/B180,Nabertherm)中燒制,燒制溫度分別為200和300 ℃,燒制時(shí)間為8 h,得到骨炭。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

稱取3種類型土樣各200 g,與0.2 g硝酸鉛均勻混合模擬鉛污染土壤,鉛離子含量為625.585 mg·L-1。在含鉛土壤中添加骨炭,并在各類土壤中設(shè)置4種處理。分別是空白處理(CK)、室溫風(fēng)干制備的骨炭(RT)、土壤中添加燒制溫度分別為200 ℃和300 ℃骨炭處理?？紤]到今后規(guī)模化生產(chǎn)的成本,骨炭的燒制溫度設(shè)置為200和300 ℃。將全部試驗(yàn)組樣本置于常溫下培養(yǎng)45 d,在此期間保持土壤含水量為最大持水量的70%。培養(yǎng)結(jié)束后,提取土壤中有效性磷和有效鉛并測(cè)定樣品中有效磷和有效鉛含量。

1.3 土壤有效鉛和有效磷含量測(cè)定

采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES,Agilent 710)測(cè)定樣品中磷和鉛的含量。在測(cè)定前制備Pb和P的標(biāo)準(zhǔn)液,Pb標(biāo)準(zhǔn)液用于確定校準(zhǔn)曲線(1、2.5、5、10、25和50 mg ·L-1),P標(biāo)準(zhǔn)液用于確定校準(zhǔn)曲線(1、5、10、20和50 mg ·L-1)。標(biāo)準(zhǔn)曲線的R2為0.999,符合測(cè)定條件。

各處理培養(yǎng)結(jié)束后,取2 g土壤樣品于50 mL離心管中,與美國(guó)環(huán)保局標(biāo)準(zhǔn)TCLP法中的40 mL提取液混合。由于土壤pH值和緩沖性不同,添加的提取液也不同。當(dāng)土壤pH值小于5時(shí),提取液的配制方法為:將5.7 mL醋酸溶于500 mL去離子水,加入64.3 mL 1 mol·L-1NaOH溶液,定容至1 L,用1 mol·L-1NaOH和1 mol·L-1HNO3維持提取液pH值為4.93±0.05;當(dāng)土壤pH值大于5時(shí),提取液的配制方法為:將5.7 mL醋酸溶于去離子水,定容至1 L,使提取液pH值為2.88±0.05。

將50 mL離心管中的土樣和TCLP提取液混合后的樣品180 r·min-1振蕩20 h,4 000 r·min-1離心 15 min,上清液通過(guò)孔徑為0.22 μm的濾膜過(guò)濾至10 mL離心管中。配制并測(cè)定鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液,繪制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線,采用ICP測(cè)定消煮后樣品中有效鉛含量。

酸性土壤采用0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1(1/2 H2SO4)提取土壤有效磷含量[17]。稱取5 g土樣于50 mL三角瓶中,加入提取劑[0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1(1/2 H2SO4)]25 mL,180 r·min-1振蕩 5 min,過(guò)濾得濾液。中性和堿性土壤采用0.5 mol·L-1NaHCO3提取土壤有效磷[17]。稱取2.5 g土樣于 150 mL 三角瓶中,加入0.5 mol·L-1NaHCO3溶液50 mL,再加1勺無(wú)磷活性炭,塞緊瓶塞,在振蕩機(jī)上振蕩30 min,立即用無(wú)磷濾紙過(guò)濾得濾液。配制并測(cè)定磷標(biāo)準(zhǔn)溶液,繪制相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線,采用ICP測(cè)定消煮后樣品中有效磷含量。

1.4 種植不結(jié)球白菜驗(yàn)證經(jīng)骨炭修復(fù)后鉛的生物有效性

黃棕壤中加入2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))蛭石防止土壤板結(jié)。將400 g土樣與0.4 g硝酸鉛均勻混合模擬鉛污染土壤,鉛離子含量為625.585 mg·L-1。在含鉛土壤中分別添加經(jīng)過(guò)200和300 ℃燒制的骨炭,對(duì)不同燒制溫度條件下的骨炭設(shè)置相同的4種處理,骨炭與硝酸鉛初始質(zhì)量比(BAp/Pb)分別為0∶1(空白對(duì)照)、0.5∶1、1∶1、2∶1,每種處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。

在各處理的土壤樣品中播種5粒不結(jié)球白菜種子,種子萌發(fā)后,將播種后的樣品放置于溫室中,保證光照、溫度、水分、養(yǎng)分等條件一致,培養(yǎng)30 d。待各處理的不結(jié)球白菜生長(zhǎng)成熟后,將其地上部與地下部清洗干凈后進(jìn)行分離,分別于60 ℃烘干12 h后磨成細(xì)粉,準(zhǔn)確稱取各樣品粉末0.25 g于50 mL消煮管中,分別加入10 mL混合酸(硝酸、高氯酸的體積比為4∶1),于130 ℃消煮爐上消化,保持微沸狀態(tài)直至棕色煙霧消失、溶液清亮,緩慢升溫至200 ℃,繼續(xù)加熱至近干(1～2 mL),冷卻,用0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸定容至25 mL。同法制備空白溶液。配制并測(cè)定鉛、磷標(biāo)準(zhǔn)溶液,繪制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線,采用ICP測(cè)定消煮后樣品中有效鉛和有效磷的含量。

1.5 骨炭與黑曲霉結(jié)合修復(fù)土壤鉛污染

將黃棕壤土壤過(guò)篩,去掉植物根系、石塊等雜質(zhì)后,在高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌,滅菌后測(cè)定土壤的最大持水量。將200 g滅菌土樣與0.2 g硝酸鉛均勻混合模擬鉛污染土壤,鉛離子含量為625.585 mg·L-1。設(shè)置4種處理:空白處理、單施1 g骨炭、單施1 g黑曲霉菌肥、1 g骨炭與1 g黑曲霉菌肥混施,每種處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。將各處理的樣品置于30 ℃恒溫箱中,在黑暗透氣的條件下培養(yǎng)30 d,培養(yǎng)期間樣品的持水率保持在70%。培養(yǎng)結(jié)束后,提取土壤中有效性鉛,并測(cè)定樣品中有效磷和有效鉛含量。

1.6 數(shù)據(jù)處理與方法

采用Excel 2020軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表,采用R 4.0.3軟件進(jìn)行差異顯著性分析。為了避免轉(zhuǎn)化誤差,本文圖2、3、4、7和8中數(shù)據(jù)均為電感耦合等離子光譜法(ICP)直接測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度制備的骨炭對(duì)不同類型土壤的鉛修復(fù)差異

2.1.1 骨炭燒制溫度的確定從圖1可知:隨著燒制溫度的升高,骨炭表面孔隙增加,比表面積增大,活性位點(diǎn)增多。我們前期研究[18]發(fā)現(xiàn):100、150、175、200和225 ℃燒制的骨炭比表面積從1.2 m2·g-1緩慢增加至2.3 m2·g-1,經(jīng)250、275、300 ℃燒制的骨炭比表面積分別從50.6 m2·g-1劇烈增加至128.1 m2·g-1。同時(shí),骨炭在溶液中釋放的磷含量與加熱溫度也有一定關(guān)系,100和200 ℃燒制的骨炭磷釋放量分別為2.4和5.7 mg·L-1;175～250 ℃燒制的骨炭磷釋放量則保持在7.0～9.0 mg·L-1,隨著燒制溫度升高,磷釋放量又下降到5.0 mg·L-1左右[18]。因此本試驗(yàn)選用200和300 ℃燒制的骨炭作為試驗(yàn)材料。

圖1 經(jīng)過(guò)不同溫度燒制的骨炭掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscope(SEM)images of bone char sintered at different temperatures

圖2 紅壤中有效鉛和有效磷的含量Fig.2 The contents of available Pb and available P in red soil CK表示空白對(duì)照;RT表示室溫風(fēng)干制備的骨炭;200 ℃、300 ℃分別表示骨炭的燒制溫度。不同小寫字母表示不同處理在0.05水平顯著性差異。下同。CK represents blank treatment;RT represents bone char treated at room temperature;200 ℃ and 300 ℃ represent the heating temperature of bone char,respectively. Different letters indicate significant difference between treatments at the 0.05 level. The same as follows.

2.1.2 紅壤中有效鉛和有效磷含量從圖2可知:在紅壤中添加骨炭有效減少土壤中有效鉛含量,與對(duì)照相比,200和300 ℃處理土壤中有效鉛含量降低81.69%～85.68%。另外,提高骨炭的燒制溫度會(huì)提高骨炭的炭化程度,300 ℃燒制的骨炭炭化程度高于200 ℃燒制的。在紅壤中,200和300 ℃燒制的骨炭對(duì)鉛的固定效果均優(yōu)于未燒制的骨炭,而 200 ℃燒制的骨炭在固定鉛能力方面略優(yōu)于300 ℃燒制的,但兩者差異較小。因此,在紅壤中,骨炭的炭化程度(200～300 ℃)與固定鉛能力的大小并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

骨炭加入土壤后,會(huì)釋放磷從而提高土壤中磷元素含量。在紅壤中加入不同燒制溫度的骨炭后,紅壤中有效磷含量均顯著提高,其中300 ℃燒制的骨炭處理后有效磷含量最高,是對(duì)照的21.34倍,室溫風(fēng)干制備的骨炭處理后有效磷含量約是對(duì)照的20倍,而200 ℃燒制的骨炭處理后有效磷含量約是對(duì)照的17倍,但低于室溫風(fēng)干制備的骨炭和300 ℃處理的骨炭(圖2)。因此,紅壤中骨炭的炭化程度與釋放磷能力的大小并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

圖3 砂壤中有效鉛和有效磷的含量Fig.3 The contents of available Pb and available P in sand soil

2.1.3 砂壤中有效鉛和有效磷含量從圖3可知:在砂壤中添加骨炭有效減少土壤中有效鉛含量,與對(duì)照相比,添加骨炭的土壤中有效鉛含量降低了 65.64%～81.30%,并且隨骨炭燒制溫度的升高,砂壤樣品中有效鉛含量逐漸降低。當(dāng)燒制溫度為300 ℃時(shí),骨炭固定鉛的效果最好,與200 ℃燒制的骨炭相比,提升效果無(wú)明顯增強(qiáng),但與室溫風(fēng)干制備的骨炭相比,提升效果顯著增強(qiáng)。表明在砂壤中骨炭固定有效鉛的能力隨著骨炭炭化溫度的升高而提高。

從圖3還可以看出,在砂壤中加入不同燒制溫度的骨炭培養(yǎng)后砂壤中有效磷含量均提高,其中300 ℃燒制的骨炭處理有效磷含量最高,是對(duì)照的7.6倍,室溫風(fēng)干制備的骨炭和200 ℃燒制的骨炭處理的有效磷含量是對(duì)照的4.0和2.0倍。200 ℃燒制的骨炭處理的有效磷含量低于室溫風(fēng)干制備的骨炭和300 ℃燒制的骨炭處理。因此,在砂壤中骨炭的炭化程度與釋放磷能力的大小并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

2.1.4 黃棕壤中有效鉛和有效磷含量從圖4可知:在黃棕壤中添加骨炭有效減少土壤中有效鉛含量,與對(duì)照相比,添加骨炭的樣品中有效鉛含量降低39.82%～67.96%,并且隨骨炭燒制溫度的升高,黃棕壤樣品中有效鉛含量逐漸降低。當(dāng)燒制溫度達(dá)300 ℃時(shí),骨炭固定鉛的效果最好,與200 ℃燒制的骨炭處理相比,提升效果顯著。試驗(yàn)結(jié)果具有相關(guān)性,表明在黃棕壤中骨炭固定有效鉛的能力隨著骨炭炭化溫度的升高而提高。

在黃棕壤中加入不同燒制溫度的骨炭培養(yǎng)后黃棕壤中有效磷含量均顯著提高,并且隨著骨炭炭化程度的提高,黃棕壤中有效磷含量增加,300 ℃燒制的骨炭處理的有效磷含量最高,是對(duì)照的64.5倍。

圖4 黃棕壤中有效鉛和有效磷的含量Fig.4 The contents of available Pb and available P in yellow brown soil

圖5 3種不同類型土壤中有效鉛含量Fig.5 The content of available Pb in the three types of soils

2.1.5 骨炭燒制溫度對(duì)不同類型鉛污染土壤修復(fù)的影響從圖5可見:添加經(jīng)過(guò)燒制處理的骨炭對(duì)土壤鉛污染的修復(fù)效果明顯優(yōu)于室溫風(fēng)干的骨炭,300 ℃燒制的骨炭在控制土壤鉛污染方面綜合效果最好。因此,經(jīng)過(guò)300 ℃燒制是最為有效的骨炭改性方式,同時(shí)利用300 ℃燒制的骨炭修復(fù)土壤鉛污染成效較好。200 ℃燒制的骨炭修復(fù)效果和300 ℃類似,考慮到生產(chǎn)成本,200 ℃燒制的骨炭更可能被廣泛應(yīng)用。在所有處理中黃棕壤的有效鉛含量都最低。

從圖6可以看出:與紅壤相比黃棕壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)更均勻,而砂壤明顯缺少土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。因此,種植不結(jié)球白菜驗(yàn)證經(jīng)骨炭修復(fù)后鉛的生物有效性試驗(yàn)和骨炭與黑曲霉結(jié)合修復(fù)土壤鉛污染試驗(yàn)均選用黃棕壤作為試驗(yàn)材料。

圖6 3種不同類型土壤的掃描電鏡圖Fig.6 SEM images of the three types of soils

2.2 種植不結(jié)球白菜驗(yàn)證骨炭修復(fù)后的鉛生物有效性

從圖7可知:不結(jié)球白菜根部對(duì)鉛的吸收量顯著高于葉片。當(dāng)土壤中骨炭與鉛的初始值質(zhì)量比為0.5∶1以上時(shí),不結(jié)球白菜葉片和根部的鉛含量均減少。與不添加骨炭的空白處理相比,添加不同比例骨炭處理中的不結(jié)球白菜葉片和根部的磷含量有一定程度的增加,說(shuō)明骨炭本身釋放的磷酸根離子會(huì)促進(jìn)不結(jié)球白菜葉片和根部對(duì)磷的吸收與儲(chǔ)存,而不結(jié)球白菜體內(nèi)有效磷含量的提高可以降低有效鉛在不結(jié)球白菜體內(nèi)的富集程度,體現(xiàn)了骨炭作為磷肥的肥效和作為鉛污染修復(fù)劑的雙重作用。

圖7 不結(jié)球白菜葉片(A)和根部(B)中鉛和磷的含量Fig.7 The contents of Pb and P in the leaves(A)and roots(B)of non-heading Chinese cabbageBAp:豬骨粉Bioapatite.

圖8 骨炭與黑曲霉結(jié)合修復(fù)后黃棕壤樣品中 有效鉛和有效磷的含量Fig.8 The contents of available Pb and available P in the yellow brown soil treated with bone char and Aspergillus niger

2.3 骨炭與黑曲霉結(jié)合修復(fù)土壤鉛污染

由圖8可知:相比對(duì)照,向鉛污染土壤中單施骨炭或單施黑曲霉均會(huì)降低土壤中有效鉛含量,但骨炭與黑曲霉混施對(duì)降低土壤中有效鉛含量的效果顯著。相比于對(duì)照和單施黑曲霉,向土壤中單施骨炭顯著增加土壤中有效磷含量,而骨炭與黑曲霉混施處理比單施骨炭處理有效磷含量高。這說(shuō)明黑曲霉促使骨炭向土壤中釋放更多的有效磷。

3 討論

骨炭用作土壤重金屬修復(fù)劑的機(jī)制:1)骨炭的吸附性。骨炭是一種具有較高比表面積和中孔結(jié)構(gòu)的中孔炭材料,這種結(jié)構(gòu)可以提高骨炭與可吸附物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的有效活性位點(diǎn)數(shù)量,具備良好的吸附性能[19]。骨炭可吸附重金屬的位點(diǎn)會(huì)與重金屬離子交換,促進(jìn)重金屬離子在骨炭上的直接吸附[20]。2)離子交換反應(yīng)。土壤中的Pb2+可以通過(guò)離子交換反應(yīng)代替骨炭中Ca2+,將土壤中移動(dòng)性較強(qiáng)的Pb2+轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的羥基磷酸鉛化合物[21]。3)重金屬礦化。骨炭與鉛可以直接形成沉淀,骨炭溶解后的磷酸根離子與Pb2+反應(yīng)形成穩(wěn)定的難溶物磷氯鉛礦[22]。對(duì)骨炭進(jìn)行改性處理能夠有效發(fā)揮其在土壤中固定鉛和釋放磷的效能。通過(guò)改變骨炭的燒制溫度對(duì)骨炭進(jìn)行改性。本研究中,在相同類型的污染土壤中添加骨炭后,300 ℃燒制的骨炭固定鉛和釋放磷的能力高于 200 ℃燒制的骨炭。骨炭的燒制溫度對(duì)骨炭性質(zhì)具有決定性作用,隨著燒制溫度的升高,骨炭表面芳香化程度增大,堿性增強(qiáng),對(duì)土壤的改良效果增強(qiáng);同時(shí)比表面積增大,孔隙增多,對(duì)土壤中重金屬吸附效果更好[23]。但是過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致炭的流失(比如通過(guò)燃燒),同時(shí)過(guò)高溫度也會(huì)讓生物磷灰石發(fā)生重結(jié)晶,生成更加穩(wěn)定的羥基磷灰石[16]。使用300 ℃燒制的骨炭修復(fù)土壤鉛污染時(shí)雖然可以取得更好效果,但是考慮到200 ℃燒制的骨炭效果并未明顯降低,且成本得到控制,在未來(lái)的實(shí)際修復(fù)中200 ℃燒制的骨炭可能具有更高的應(yīng)用潛力。

本研究中,在紅壤中添加骨炭修復(fù)鉛的效果最佳,在黃棕壤中加入骨炭促進(jìn)磷元素釋放效果最佳,具備良好的鉛修復(fù)潛力。不同土壤的理化性質(zhì)會(huì)影響土壤中重金屬的遷移和淋溶效果[24]。由于土壤中的H+會(huì)與重金屬離子競(jìng)爭(zhēng)骨炭上的吸附位點(diǎn),因此pH會(huì)顯著影響骨炭的吸附性[25]。在酸性土壤中,骨炭自身吸附鉛的能力會(huì)被抑制,但骨炭可以促進(jìn)鉛吸附于鐵氧化物表面,從而增加鉛鐵氧化物的形成,降低鉛的移動(dòng)性[26],因此紅壤中骨炭對(duì)鉛的固定具有復(fù)雜性。而黃棕壤的pH呈中性,土壤中的有效磷不會(huì)被鈣、鐵、鋁等固定,從而增加了其和鉛的反應(yīng)概率。與紅壤和砂壤相比,添加骨炭后黃棕壤中有效磷含量提高,因此黃棕壤地區(qū)更適合骨炭材料的應(yīng)用。在黃棕壤的試驗(yàn)中,通過(guò)調(diào)整燒制溫度可以改變骨炭的理化性質(zhì),從而達(dá)到更好的有效鉛去除效果,對(duì)于鉛污染的修復(fù)和磷肥的改良具有一定的指導(dǎo)意義。

不結(jié)球白菜是黃棕壤地區(qū)種植面積較大的作物,其可食用部分主要為地上部,根據(jù)其鉛富集程度可以評(píng)估鉛的生物有效性。本研究中,我們發(fā)現(xiàn)添加骨炭后,不結(jié)球白菜的葉片和根部的有效鉛含量都下降。同時(shí),土壤中的骨炭在一定的添加比例范圍內(nèi)可以提高不結(jié)球白菜葉片對(duì)磷的吸收量。當(dāng)土壤中骨炭與鉛的初始值質(zhì)量比為0.5∶1時(shí),不僅可以提高不結(jié)球白菜對(duì)磷的吸收,還會(huì)減少不結(jié)球白菜對(duì)鉛的吸收。我們推測(cè)骨炭吸附位點(diǎn)的飽和程度會(huì)影響對(duì)鉛的吸附固定作用,當(dāng)m(BAp)/m(Pb)<0.5時(shí),骨炭含量少,其吸附位點(diǎn)不足以吸附固定鉛,而當(dāng)m(BAp)/m(Pb)>0.5時(shí),鉛含量過(guò)高,骨炭的吸附位點(diǎn)飽和。因此,適當(dāng)?shù)谋壤谦@得良好修復(fù)效果的前提。

在黃棕壤中施加骨炭和黑曲霉復(fù)合修復(fù)劑對(duì)黃棕壤中鉛固定效果比單獨(dú)施用效果好,有效鉛含量降低到15 mg·kg-1以下。這是因?yàn)楹谇狗置诘牟菟峥梢杂行Т龠M(jìn)骨炭的溶解和磷酸鹽的釋放,并且中性黃棕壤不存在大量的堿性物質(zhì)或者高吸附的鐵鋁質(zhì)礦物,從而相對(duì)易于形成大量難溶性的磷氯鉛礦。草酸是黑曲霉分泌的最為高效的溶磷有機(jī)酸,從土壤長(zhǎng)期試驗(yàn)來(lái)看,黑曲霉加在土壤中可以不斷繁殖,從而長(zhǎng)期分泌草酸。這樣的溶磷效果要好于向土壤中直接加入其他化學(xué)酸[27]。由于黑曲霉的生長(zhǎng)需要消耗土壤中大量的磷,本研究中骨炭與黑曲霉混施比單施骨炭的有效磷含量稍高,證明體系中曾釋放出大量的磷素,考慮到我們沒有添加其他磷源,因此只能是骨炭釋放的磷源。當(dāng)復(fù)合材料中的骨炭向土壤釋放更多的磷酸根離子時(shí),可以促進(jìn)更多的鉛離子與磷酸根離子反應(yīng)生成難溶性沉淀,最終降低鉛的生物可利用性[28-29]。同時(shí),本研究也證實(shí)了有機(jī)酸并不會(huì)導(dǎo)致重金屬離子的溶出,否定了二次污染的可能性。因此骨炭與黑曲霉的共同作用比骨炭單獨(dú)作用時(shí)釋放更多的磷元素,進(jìn)一步降低土壤中鉛的可移動(dòng)性和生物有效性。本研究目前僅為初步研究,仍存在一定的局限性,下一步我們將在黑曲霉、骨炭、作物、土壤的復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)一步研究。

綜上所述,在3種不同類型土壤中加入骨炭后,對(duì)鉛修復(fù)效果(與對(duì)照相比的有效鉛減少量)從大到小依次為紅壤、砂壤、黃棕壤,促進(jìn)磷元素釋放效果從大到小依次為黃棕壤、紅壤、砂壤。在鉛污染的黃棕壤中添加一定比例的骨炭可以提高不結(jié)球白菜對(duì)磷的吸收量,同時(shí)也會(huì)一定程度上減少其對(duì)鉛的吸收,驗(yàn)證了骨炭修復(fù)后鉛污染土壤的生物有效性得到控制。因此,對(duì)于鉛污染的土壤(特別是黃棕壤),骨炭和黑曲霉復(fù)合材料具備良好的修復(fù)潛力。