海泡石对菜地土壤镉的钝化效应及对土壤酶活性的影响

毕业论文海泡石对菜地土壤的钝化效应及对土壤酶活性的影响学生姓名： 梅彦超 学号：132065133 系 部： 环境与安全工程系 专 业： 生物工程 指导教师： 李剑睿 讲师 二一七年六月 诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日 毕业论文任务书论文题目： 海泡石对菜地土壤镉的钝化效应及对土壤酶活性的影响 系部： 环境与安全工程系 专业： 生物工程 学号： 132065133 学生： 梅彦超 导教师（含职称）： 李剑睿（讲师 ) 1 课题意义及目标学生通过毕业设计，运用所学专业基础知识，深入了解土壤施加海泡石降低小白菜吸收镉的机制。以四季小白菜为研究对象，通过盆栽试验，研究土壤海泡石不同施加量对小白菜吸收镉的影响，为海泡石在农业生产方面的实际应用提供理论依据，同时为学生在毕业后从事相关工作打好基础。2主要内容（1）研究土壤施加海泡石对小白菜吸收土壤镉的影响。（2）研究土壤施加海泡石对小白菜地上部生物量的影响。（3）研究海泡石的施加对土壤酶活性的影响。（4）实验数据分析处理，完成5000字英文翻译和毕业论文的撰写。3主要参考资料1 孙约兵, 徐应明, 史新等. 海泡石对镉污染红壤的修复效应研究J. 环境科学学报, 2012, 32(6): 1465-1472.2 王林, 徐应明, 孙国红等. 海泡石和磷酸盐对镉铅污染稻田土壤的钝化修复效应与机理研究J. 生态环境学报, 2012, 21(2): 314-320.3 李国胜, 梁金生, 丁燕等. 海泡石矿物材料的显微结构对其吸湿性能的影响J. 硅酸盐学报, 2005, 33(5): 604-608. 4 腾应, 骆永明, 李振高. 土壤重金属复合污染对脲酶、磷酸酶及脱氢酶的影响J. 中国环境科学, 2008, 28(2): 147-152.4进度安排论文各阶段名称起止日期1阅读文献资料，开题答辩2016年12月22日2017年2月22日2小白菜幼苗培育2017年2月23日2017年3月22日3仪器落实、药品准备2017年2月25日2017年3月27日4试剂和溶液配制2017年3月28日2017年4月9日5测定小白菜体内镉含量及土壤酶活性2017年4月10日2017年5月1日6实验数据分析，完成5000词英文翻译和毕业论文及答辩工作2017年5月2日2017年6月20日审核人： 年 月 日太原工业学院毕业论文海泡石对菜地土壤的钝化效应及对土壤酶活性的影响摘要：经济飞速发展的我国，经各方面带来的重金属污染已成为需要解决的主要环境问题之一。利用黏土矿物钝化剂进行重金属污染土壤的修复已被广泛应用，但是使用过程中可能会对环境进行第二次污染。本实验以海泡石研究对象，研究黏土矿物对人工重金属污染土壤的改善作用。通过实验得到小白菜的生物量、吸收镉的含量、有效态镉的含量、土壤pH值和对酶活性的影响数据，为利用黏土矿物的钝化效应对重金属污染的修复提供以下参考：1.海泡石的添加处理对小白菜与土壤的影响数据我们可以看出：进行重金属污染后土壤，添加海泡石可以明显增高土壤pH值（p0.05）；海泡石处理过后小白菜的生物量比对照组分别提高了25%150%、10%80%、0300%（p0.05），由此得知海泡石处理对小白菜的生产有明显的提高效果；有效态镉的含量在进行海泡石处理后土壤中也有减少的效果，根据对照组相比较，当添加海泡石后土壤中有效态镉分别降低了25%43.75%、16.4%50.9%、21.7%47.8%（p0.05）；经过海泡石处理还可以减少植株体内的镉含量，与没有进行处理的对照组相比镉含量减少17.2%72.4%、37.9%69.8%、13.5%62.9%（p2.5 mgkg-15 mgkg-1）,当镉的含量处理相同时，酶活性随海泡石的添加量增大而增加（0g/kg1g/kg2g/kg5g/kg10g/kg）。关键词：海泡石，酶活性，钝化修复，镉，土壤Effects of sepiolite on soil passivation and soil enzyme activitiesAbstract: The rapid development of Chinas economy, by all aspects of heavy metal pollution has become one of the major environmental problems need to be addressed. The use of clay minerals passivator for heavy metal pollution soil remediation has been widely used, but the use of the process may be the second pollution of the environment. In this study, sepiolite was used to study the effect of clay minerals on artificial heavy metal contaminated soil. The results showed that the biomass, the content of cadmium, the content of available cadmium, the pH value of the soil and the activity of the enzyme were obtained by experiment. The following reference was made for the remediation of heavy metal pollution by the passivation effect of clay minerals:1. The effect of sepiolite addition on cabbage and soil. We can see that the soil supplemented with sepiolite can significantly increase the soil pH (p 0.05) after the heavy metal pollution. After the sepiolite treatment, the cabbage(Dry weight) was 25% 150%, 10% 80%, 0 300% (p 0.05)higher than that of the control group, and it was found that sepiolite treatment had a significant effect on the production of Chinese cabbage. The content of cadmium in the soil was reduced by 25% 43.75% and 16.4% 50.9%(p 0.05), respectively, when the sepiolite was added to the soil after the sepiolite treatment, 21.7% 47.8%, and the cadmium content in the plant decreased by 17.2% 72.4%, 37.9% 69.8% and 13.5% 62.9%(p 2.5 mg kg-1 5 mg kg-1). When the content of cadmiumAt the same time, the enzyme activity increased with the increase of sepiolite (0 g /kg 1 g/kg 2 g/kg 5 g/kg Cu2+Zn2+Mn2+Cd2+。高岭石、蒙脱石与伊利石表面的有机质、AL、Fe三氧化物的电化学性质研究显示 ，正电荷存在氧化物的外层，影响对重金属的吸附，使黏土矿物的吸附固定性能下降；当含有呈电负性的电荷有机质覆盖于黏土矿物表面时18 19，进行离子交换过程的带负电荷的黏土矿物与重金属阳离子结合，黏土矿物的吸附固定性能提高。 同时黏土矿物的自身结构与类型也决定了对重金属的吸附固定能力，例如，当1份伊利石与2份蒙脱石的混合黏土矿物对Zn的固定能力强于1份伊利石与1份蒙脱石的混合黏土矿物20 21 22 23。 环境的pH也与黏土矿物的吸固性能有关。研究表明，黏土矿物的吸附能力越强，pH就会越高。比如对Mn离子来说，随着pH的升高，黏土矿物对Mn离子的吸附量逐渐增加24 25 26。1.3.3黏土矿物的研究展望现在重金属钝化修复中黏土矿物已经被广泛的应用。我国有着丰富的黏土资源储备，丰富的储备可以用来对土壤重金属污染进行治理；在重金属污染治理的同时为人们带来的经济价值也是巨大的。对于现在我国土壤重金属污染的面积与规模越来越大并且形式越来越严峻的状况，采用资源储备丰富，价格低廉而且具有良好的发展潜力与应用前景的黏土矿物不可谓是最有效可行的方法。土壤中的黏土矿物很难能与其分开，只要环境发生变化以后很容易进行再一次的重金属污染，尽管黏土矿物会有良好的发展前景，但是不要忽略在应用中发现的一系列问题。根据上述观点，为今后研究发展提出几条意见： 将黏土矿物与肥料配合充分发挥自己的作用，扬长避短，因为黏土矿物可以控制肥料养分的控释。 对重金属的钝化机理的研究争取能够达到分子水平。 从上述的讨论中我们可以得知，改性的黏土矿物相对于自然的黏土矿物有着更好的性能，所以在以后应加大改性黏土矿物的研究。1.4研究目的与意义长期性的、毒性大的、比较复杂与不可逆的土壤重金属污染，尽管自然环境的土壤有自净能力但是通过土壤自身也是不容易消除的。重金属将土壤结构进行破坏，使农作物的生长受到抑制，进而使农作物的产量与品质降低，并通过食物链进行传递，最终损害到人体的健康与动植物的生存与发展34 35 36。现在的重金属污染的修复方法为比较传统的工程措施和改良措施，但是因为成本很大，不彻底会受到一些局限，并且使正常的土壤生态结构受到影响，生物活性也会降低37。本研究以进行人工重金属镉污染土壤为研究对象，进行天然黏土矿物海泡石对重金属镉钝化效应的实验研究，并通过室内的盆栽试验，研究海泡石对重金属镉的有效态及对菜地土壤中酶活性的影响，所得成果能为探究土壤重金属的高效治理技术及推广提供重要的依据。第二章 材料与方法2.1 实验材料选择与准备供试土壤：采自山西省太原市尖草坪区北固碾村的菜地土壤。供试植物：四季小白菜，购于太原市农科院的农资市场。粘土矿物：海泡石，购于河北易县海泡石公司，BET比表面积为22.32 m2g-1，无机物结晶部分为：CaCO3 65%，Mg3Si2(OH)4O5 8%，Si3O6 18%。2.1.1 主要实验药品甲苯、柠檬酸盐缓冲液（PH=7）、10尿素、苯酚钠溶液（1.35mol/L）、次氯酸钠溶液、氮的标准溶液、3的H2O2水溶液（冰箱保存）2mol/L的硫酸溶液、0.02mol/L高锰酸钾荣溶液、0.1mol/L草酸溶液2.1.2 实验仪器表1 主要实验仪器仪器名称型号生产厂家电子天平分光光度计雷磁pH计CP224CT722型PHSJ-4A奥豪斯（上海）仪器有限公司上海元析仪器有限公司上海仪电科学仪器股份有限公司2.2盆栽实验实验共设有15个处理，分别为：SP1：1.25 mgkg-1 Cd（0 g/kg海泡石）；SP2：2.5 mgkg-1 Cd（0 g/kg海泡石）；SP3：5 mgkg-1 Cd（0 g/kg海泡石）；SP4：0 mgkg-1 Cd（1g/kg海泡石）；SP5：1.25 mgkg-1 Cd（1g/kg海泡石）；SP6：2.5 mgkg-1 Cd（1g/kg海泡石）；SP7：5 mgkg-1 Cd（1g/kg海泡石）；SP8：0 mgkg-1 Cd（2g/kg海泡石）；SP9：1.25mgkg-1 Cd（2g/kg海泡石）；SP10：2.5 mgkg-1 Cd（2g/kg海泡石）；SP11：5mgkg-1 Cd（2g/kg海泡石）；SP12：0 mgkg-1 Cd（5g/kg海泡石）；SP13：1.25 mgkg-1 Cd（5g/kg海泡石）；SP14：2.5 mgkg-1 Cd（5g/kg海泡石）；SP15：5 mgkg-1 Cd（5g/kg海泡石）；以上均为添加浓度，每个处理进行3次重复。制备的Cd污染土壤稳定14 d后风干进行碾碎过2mm筛，并用200目筛对碾碎的海泡石进行筛选，将钝化剂海泡石分别以不同的剂量与人工污染土壤进行混匀，待混合后的土壤稳定7 d后装入培养盆，每盒装土500 g并施入适量的尿素作为底肥。将四季小白菜籽消毒处理播撒在育秧盘，一个育秧盘中投入45粒种子，待种子长出两瓣叶后，根据小白菜幼苗的发育情况进行移苗，每盆中移苗4株，在发育过程中用去离子水对小白菜进行浇灌。含水量维持在田间的四分之三左右，小白菜生长72d后就可收获。2.3 测定方法2.3.1 小白菜镉含量收获小白菜样品后，先用流动自来水将样品上的泥土杂质进行冲洗，再用去离子水进行冲洗，风干小白菜将样品水分蒸发然后准确测量小白菜为烘干之前的重量。然后利用八十度的高温将样品进行一小时的杀青，再将杀青后的样品放入六十度的烘箱进行烘干，当其重量不在改变时，取出分别测其上下两部分的干重。采用土壤环境质量标准，利用HNO3-HCLO4法消解测定小白菜在生长过程中吸收镉的含量。（GB15618-1995土壤环境质量标准J）2.3.2 土壤pH在小白菜样品收获以后采集新鲜的土壤样品，自然风干以后将45个处理的样品中取适量的土样过200目筛。然后用去离子水将土壤中pH（水土比2.5:1）进行浸提，浸提液的pH即为土壤的pH。为了减少实验的误差，需将进行3个重复，所得数据平均而则为测量土壤的pH。pH值由雷磁PHSJ-4A实验室pH计来测定。表2 土壤pH值处理组别pH值处理组别pH值处理组别pH值SP1（CK）SP2SP3SP4SP58.5280.42648.5430.427158.5920.42968.60.438.6570.43285SP6（CK）SP7SP8SP9SP108.4820.424128.5470.427358.5830.429158.8.5920.42968.6180.4309SP11（CK）SP12SP13SP14SP158.5200.4268.5470.427358.5680.42848.5830.429158.6170.430852.3.3 土壤脲酶活性1 操作步骤：用天平称取5g土样于锥形瓶中，加入1ml的甲苯。：静置15min加入10ml 10的尿素溶液和20ml的柠檬酸盐缓冲液，充分摇匀后在37恒温的环境下培养1d。：培养结束后进行过滤，取1ml的滤液于50ml的容量瓶，然后继续加入4ml苯酚钠溶液与3ml的次氯酸钠溶液，等20min显色后进行定容。：静置1h后，用分光光度计的578mm波长处比色。绘制标准曲线：先分别将0、1、3、5、7、9、11、13ml的氮工作液用移液管移至50ml容量瓶中，添加去离子水至溶液20ml。然后重复上述中的、步骤。最后绘制标准曲线。2 脲酶活性计算如式：Ure=(a样品-a无土-a无基质)* V* n/m式中：a样品氨氮含量指标（由标准曲线求得）； a无土氨氮含量指标（由标准曲线求得）； a无基质氨氮含量指标（由标准曲线求得）； V为靛酚液体积；n为分取倍数滤液体积；m为土的干重2.3.4 土壤过氧化氢酶活性1 操作步骤：用天平称取5g土样于烧杯中并设置对照试验，加入0.5ml的甲苯，置于4的冰箱中冷存30min。：取出烧杯，加入25ml的3的H2O2溶液，摇匀后冰箱中继续放置1h。：再次取出烧杯，并加入25ml的2mol/L的硫酸溶液，摇匀后过滤。：用移液管移取1ml滤液于锥形瓶中，并在其中加入5ml去离子水与5ml的2mol/L的硫酸溶液，最后用高锰酸钾进行滴定。：1h时间中1g土样对滴定消耗体积数表示过氧化氢酶的活性（以ml计）。2 土壤中过氧化氢酶活性计算如式：酶活性=（空白样剩余过氧化氢滴定体积-土样剩余过氧化氢滴定体积）*T/土样质量式中：酶活性单位ml（0.1ml/L KMnO4）/（hg） T高锰酸钾滴定的矫正值 T=0.0205/0.02=1.0262.3.5 土壤中有效态镉含量土壤镉有效态含量用0.02mol/l H2SO4溶液浸提土壤，浸提后溶液用原子吸收分光光度计火焰法测定(Smith，1996)。测定方法分别参照GB/T 23739-2009。2.3.6 数据统计所有数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS11.5软件进行统计分析第三章 结果与分析3.1 黏土矿物对小白菜吸收镉的含量影响 黏土矿物海泡石的不同添加量对小白菜的吸收影响见图表1所示。经过海泡石处理后与没有进行处理的对照组相比镉含量减少17.2%72.4%、37.9%69.8%、13.5%62.9%（p0.05），实验数据表明在重金属添加量相同时，海泡石的添加量越大，重金属钝化修复的效果就越好。这就说明海泡石可以阻止小白菜对重金属镉的吸收，降低小白菜中镉的含量。表1 海泡石处理后小白菜内部镉含量处理组别植物吸收镉含量（mg/kg）处理组别植物吸收镉含量（mg/kg）处理组别植物吸收镉含量（mg/kg）SP1（CK）SP2SP3SP4SP50.290.01450.240.0120.180.0090.10.0050.080.004SP6（CK）SP7SP8SP9SP100.530.02650.420.0210.290.01450.180.0090.160.008SP11（CK）SP12SP13SP14SP150.890.04450.770.03850.540.0270.380.0190.200.013.2 黏土矿物对小白菜生物量的影响黏土矿物海泡石处理后对小白菜生物量的影响见下图表2。从图中所示的干生物量的变化可知，海泡石处理过后小白菜的生物量比对照组分别提高了25%150%、10%80%、0300%（p0.05），黏土矿物海泡石的添加量对小白菜的生物量有着很大的影响。在污染处理为1.25 mgkg-1时，海泡石添加处理为1g/kg小白菜的生物量达到最大；污染2.5 mgkg-1时，海泡石添加为2g/kg小白菜的生物量达到最大；污染处理5 mgkg-1时，小白菜的生物量随海泡石的添加量变化。由实验可知，虽然海泡石能够抑制小白菜对镉的吸收，减少重金属对小白菜的副作用，提高小白菜的生物量。表2 海泡石处理后小白菜生物量处 理生物量g/盆处 理生物量g/盆处 理生物量g/盆SP1（CK）SP2SP3SP4SP50.40.0210.050.50.0250.70.0350.80.04SP6（CK）SP7SP8SP9SP100.50.0250.550.02750.90.0450.70.0350.80.04SP11（CK）SP12SP13SP14SP150.20.010.20.010.350.01750.40.020.70.0353.3 黏土矿物对土壤中有效态镉的影响黏土矿物海泡石处理有对土壤中有效态镉的影响如下图表3 所示。当添加海泡石后土壤中有效态镉分别降低了25%43.75%、16.4%50.9%、21.7%47.8%，数据中可知添加黏土矿物海泡石可以有效的将土壤中有效态镉的含量减少。相关研究表明38，海泡石除了具有特有的吸附作用来使重金属有效态含量减少，其还可以使土壤中的镉从比较高活性的盐类状态转化了低活性的残渣状态，进而达到可以降低土壤中镉有效性的目的。与本研究的结论一致。表3 海泡石处理后土壤有效镉含量表处 理有效镉的含量mg/kg处 理有效镉的含量mg/kg处 理有效镉的含量mg/kgSP1（CK）SP2SP3SP4SP50.320.0160.240.0120.220.0110.200.010.180.009SP6（CK）SP7SP8SP9SP100.550.02750.460.0230.390.01950.310.01550.270.0135SP11（CK）SP12SP13SP14SP151.150.05750.900.0450.700.0350.640.0320.600.033.4 土壤脲酶与过氧化氢酶活性添加黏土矿物后，测得对脲酶与过氧化氢酶活性的影响见下图表4 表5：根据数据可得，黏土矿物海泡石对酶活性有明显的提升；对两张图中的数据进行详细的分析，虽然土壤酶的活性都有所增加，但是增长的幅度有所差异。脲酶中海泡石添加处理与对照组（p0.05）相比较分别提高了1.29倍4.79倍、1.41倍7.34倍，2.65倍15.68倍。从数据可以得知，污染程度处理越高时，海泡石对酶活性增加的幅度越大；当海泡石对添加量相同时，酶活性随着污染程度增加越来越低。综合不同污染程度的影响，在单一处理为海泡石时，添加浓度为1 g/kg脲酶活性的增长幅度最大。过氧化氢酶中海泡石添加处理与对照组（p0.05）相比较分别提高了4.99%29.97%、6.24%31.72%、7.88%37.27%，海泡石的添加对过氧化氢酶的活性有提高的作用；在海泡石添加量为单一处理时，添加浓度为2 g/kg脲酶活性的增长幅度最大。海泡石对脲酶与过氧化氢酶的活性都有增加的作用，但是海泡石的添加对脲酶活性的增加最为明显；不同浓度的海泡石对酶活性的影响也是不同的，在考虑到实际应用时应注意酶活性增加的幅度大小。脲酶标准曲线：计算脲酶的酶活性如下表:表4 脲酶酶活性处 理脲酶活性*10-2ml/g处 理脲酶活性*10-2ml/g处 理脲酶活性*10-2ml/gSP1（CK）SP2SP3SP4SP51.2840.06422.9430.147154.6820.23415.9890.299457.4360.3718SP6（CK）SP7SP8SP9SP100.3840.019210.9260.04631.3790.068952.5410.127053.2030.16015SP11（CK）SP12SP13SP14SP150.0600.0030.2190.010950.4370.021850.8240.04121.0040.0502根据高锰酸钾滴定量计算得到下表:表5 过氧化氢酶酶活性处 理过氧化氢酶活性*10-5ml/gh处 理过氧化氢酶活性*10-5ml/gh处 理过氧化氢酶活性*10-5ml/ghSP1（CK）SP2SP3SP4SP55.6680.283405.9510.297556.9110.345557.2460.362307.3670.36835SP6（CK）SP7SP8SP9SP105.1920.259605.5160.275806.4060.320306.7220.336106.8390.34195SP11（CK）SP12SP13SP14SP153.7290.186454.0230.201154.6950.234754.8150.240755.1190.255953.5小结在本实验中制备人工污染的菜地重金属土壤，通过添加黏土矿物海泡石，进行实验得到小白菜的生物量、吸收镉的含量、有效态镉的含量、对土壤酶活性的改变与对土壤p H影响的数据，得出以下主要结论：通过添加不同量海泡石进行盆栽实验测得数据，得出以下结论：海泡石处理对重金属污染土壤的pH有着明显的增高；海泡石处理对小白菜的生产有明显提高的效果，降低重金属对小白菜的副作用，使小白菜生物量增加；海泡石能够阻止小白菜对重金属镉的吸收，降低小白菜体内镉的含量，海泡石的添加量越大，小白菜体内镉的含量越低，重金属污染钝化修复的效果就越好；据相关资料研究，海泡石除了具有所有黏土矿物特有的吸附作用来使重金属的有效性降低，其还具有离子交换的能力使土壤中的镉从比较高活性的盐类状态转化了低活性的残渣状态，减少重有效镉含量，达到对土壤重金属污染修复的预期效果。：添加不同含量的海泡石测得土壤酶的活性数据我们得到以下的结论：土壤酶会受重金属的影响进而活性降低，土壤的组成与结构遭到破坏，土壤会丧失自净能力。当添加黏土矿物海泡石能够明显的提高土壤酶活性的作用，但是同一种的黏土矿物会对不同土壤酶活性提高的效果不同，试验中得出海泡石处理后脲酶活性的提高强于过氧化氢酶的活性；数据还显示海泡石的添加量，对土壤酶的活性提升幅度有很大的影响，考虑实际应用的成本需需选用最适的添加量。特此声明，所有的数据均来源于室内模拟实验，实验数据与外界环境所测会有差别，如实验结论出现偏差，请将实验室数据与实际数据相结合进行研究参考文献1 Lin Z, Roger B, Herbert J. 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