镉污染土壤的微生物修复稳定性的酸性淋溶研究

1、镉污染土壤的微生物修复稳定性的酸性淋溶研究丛海扬1,收稿日期： 修订日期：基金项目：国家自然科学基金（项目号31370646）作者简介：丛海扬，（1986），男，工程师，主要研究方向为环境微生物技术，E-mail：haiyang.cong(1.中节能六合天融环保科技有限公司，北京100085；2.江苏师范大学生命科学学院，江苏徐州221116)摘要：本研究利用分离得到的对镉具有吸附功能的两株真菌菌株对镉污染土壤样品进行微生物修复治理，并通过酸性淋溶实验模拟自然界酸雨来评价治理效果是否稳定。考察不同pH值的酸性淋溶实验对微生物修复后土壤的pH和镉含量是否产生影响。结果发现：在近80天的三种不同p

2、H值的淋溶液的酸性淋溶实验中，经过微生物修复处理后的土壤样品，pH值和Cd有效态含量都比较稳定，而空白对照组则出现了大量波动和瞬时峰值的现象。关键词：镉污染土壤；真菌；微生物修复；稳定性；酸性淋溶中图分类号：X172文献标识码:文章编号：Acid leaching studies of microbiological remediation stability of cadmium-contaminated soil. CONG Hai-yang1, SUN Lu1, ZHANG Mei-hua1, JIANG Ji-hong2(1.China Energy Corporation and E

3、nvironmental Protection Group (CECEP) Liuhe Talroad Environmental Technology Co., Ltd, Beijing 100085, China; 2. Jiangsu Normal University, School of Life Sciences, Xuzhou, Jiangsu Province 221116, China)Abstract: Two isolated fungal strains with cadmium adsorptive ability was utilized in microbiolo

4、gical remediation of cadmium polluted soil samples, and the stability of the immobilized cadmium was evaluated using acid leaching experiments that simulated natural acid rain conditions. Impacts of different pH acid leaching conditions on the pH values and mobile cadmium concentrations of the soil

5、samples were investigated. Results showed that during the experiment period of nearly 80 days soil samples after the microbiological remediation had more stable pH values and mobile cadmium concentrations compared with the untreated samples, which experienced large fluctuations and instant peaks. Ke

6、y words: cadmium-contaminated soil, fungus, microbiological remediation, stability, acid leaching重金属在土壤环境中难以降解，易在动植物体内积累，通过食物链逐步富集，浓度有时能达到百万倍的增加，最后进入人体对人类健康造成危害，是危害人类最大的污染物之一1。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性等特点，治理的难度极大。目前国内外土壤重金属污染治理广泛采用的方法包括土壤固化、玻璃化、淋滤法、洗土法、电化学法等。这些传统方法普遍存在价格昂贵，操作复杂等特点，因此大规模的应用具有一定局限 2。目前在我国

7、农田土壤的镉污染形势极为严峻，主要发生在镉铅锌矿分布相对丰富的云南、广东、湖南、贵州等地。众所周知的“镉米”事件就是在受镉污染的土壤中种植水稻所引起的。镉土种植的农作物中镉含量也远远超出食品中污染物限量（GB2762-2005）中的限值3。因此，我国对于农田土壤镉污染的控制和治理刻不容缓。鉴于微生物本身极强的适应性及较低廉的使用成本，微生物治理重金属日渐成为该领域新的研究热点。微生物修复土壤污染的机理包括吸附富集、氧化还原、成矿沉淀、淋滤、协同效应等2。目前重点研究的微生物多集中在细菌和霉菌，如蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)、柠檬酸杆菌(Citrobacter sp.)、芽孢杆

8、菌(Bacillus sp.)、少根根霉(Rhizopus arrhizus)等2。微生物修复治理后的土壤的稳定性是这类研究考察的另一个重点。酸雨条件下重金属迁移及行为易受到显著影响。土壤受酸雨淋洗时，土壤中重金属的赋存形态受pH影响，当被酸化土壤的pH接近4时，大部分重金属以离子形态存在，可能将土壤中固化的重金属重新转化为液相游离态4。我国是酸雨三大区之一5，本文研究对象为云南某区域土壤，所处位置为酸雨区。因此，研究酸性淋溶条件下对经微生物修复镉污染土壤样品的稳定性，显得尤为必要。本文利用两株经实验室分离得到的真菌菌株（Trichodermavirens-LP-10-2和Trichoderm

9、aspirale-LP-20）对云南某地含镉污染土壤进行微生物修复治理。这是该两株真菌菌株首次在国内应用于土壤重金属修复治理。修复治理完成后，评价修复效果并设计模拟酸雨淋溶实验，考察修复后土壤的稳定性。1材料与方法1.1实验材料真菌菌株：Trichodermavirens-LP-10-2；Trichodermaspirale-LP-206。土壤样品:采自云南省曲靖市某地的金属矿区所在地土壤。1.2土壤样品的微生物修复处理1.2.1 LP-20菌液制备：将LP-20接种至液体AY培养基（无水醋酸钠0.2461 gL-1，酵母提取物0.15 gL-1，氯霉素25 mgL-1，pH 7.0）7-9。

10、摇床培养3天后得到菌体培养基混合液，将混合液离心(11000 rpm，10 min)，离心之后的沉淀物即为菌液，菌液是高稠度的菌体，但仍有一部分水分（含水率10%左右）。1.2.2供试土壤样品制备：供试土壤样品过筛后得到1mm粒径的样品，土样烘干至恒重待用。1.2.3土壤理化性质测定：土壤的pH值和重金属全量测定使用通用的测定方法10。土壤中重金属有效态含量利用TCLP提取液提取测定法11。该方法在土壤pH5时加入试剂II提取液。供试土壤的pH值大于5.0，因此使用试剂II提取液。试剂II的配制方法为：将5.7 mL的冰醋酸加入蒸馏水中，定容至1 L，利用1M的HNO3或1M的NaOH溶液调节

11、溶液pH值，溶液的pH值保持在2.880.05范围内。试剂II的用量（体积）与土样（质量）比为20:1。土样与试剂II提取液在常温下振荡（182）h，静置后离心，上清液再用0.2 m 的滤膜进行过滤，过滤后的溶液（即待测液）用1M的HNO3溶液调节至pH为2，便于长期保存。待测液中的重金属浓度即为土壤样品中的重金属有效态含量，该含量采用原子吸收分光光度计(Atomic Absorption Spectroscopy)方法测定。采自云南省曲靖市某地的金属矿土壤中Cd(II)全量及有效态含量见表1。表1：供试土壤的基本性质Table 1 Basic characteristics of the t

12、ested soil土壤pH(土水比1:2.5)Cd总量/ mgkg-1Cd有效态含量/ mgkg-1云南曲靖3.0548.74.951.2.4微生物修复实验：准备2份等量3 kg土壤样品，一份为空白对照不经过任何处理，另一份添加等量1.5 L微生物菌液。将2组样品pH值调节为4（利用1mol/L HCl或1mol/L NaOH），室温培养，培养时间为10 天6。培养结束后测定土壤样品中的Cd有效态含量。1.2.5 质量控制：测量镉的全量及有效态含量过程中均包含空白对照。所有的样品均进行3次平行实验。镉的有效态含量测定的相对标准偏差（RSD）均小于5%。1.3修复后土壤的稳定性测试1.3.1淋

13、溶柱的制作将高33cm，直径10cm的PVC管一端用PVC板封住，于PVC板中部钻1个直径为1cm的小孔，接上长20cm长的塑料管。再将淋溶柱固定于架子上，架子底部放置一烧杯，用于回收滤液。淋溶柱示意图参考商正松12。1.3.2 淋溶柱的布柱为了防止水流穿透以及淋溶液均匀通过淋溶柱，需要对淋溶柱进行过滤层的布置。底层覆一层脱脂棉垫，从下往上由滤层颗粒由大到小布置，分别为玻璃珠、石英砂、粘土层（取自北京自然土壤），中间为实验土壤样品，上面滤层从下往上方由颗粒由小到大布置，分别为粘土层、石英砂以及玻璃珠，顶层为一层脱脂棉垫。淋溶前后均需检测玻璃珠、石英砂以及粘土中镉的有效态含量。1.3.3淋溶处理

14、参考中山大学蓝崇钰等13的方法，将淋溶柱放置于室内，每天以pH3.5、5、7的淋溶液（HCl调节pH）淋溶，保持淋溶速度在15ml/h左右，淋溶期间室内温度保持在255，持续淋溶。淋溶历时42d，每7d作为一个周期集中收集渗滤液。渗滤液pH值立即进行测定，然后滴加1滴HNO3保存，用原子吸收分光光度法测定其中Cd2+ +含量。模拟酸雨按照硝酸盐酸比例14。2结果及讨论2.1土壤样品的微生物修复效果经过微生物真菌菌悬液的修复处理，土壤样品中的有效态Cd含量为2.28 mg/kg, 修复效率为54%左右。2.2淋溶渗滤液pH值的变化情况 经过微生物真菌菌悬液修复后的土壤样品在模拟酸雨淋溶过程中渗滤

15、液pH值相比对照组更加稳定，前18天尤为明显，淋溶液的pH值在3.5、5、7的时候均可以看到这样的趋势。在淋溶实验结束时，三种实验条件下的渗滤液的pH值均接近中性（pH = 7）。由此可以看出，经过微生物真菌菌悬液修复后的土壤样品的pH值更加具有稳定性，在长期酸雨淋溶的条件下也能保持较为稳定的pH值，没有出现剧烈波动。图1：不同pH值条件下淋出时间对淋溶液pH值的影响Fig. 1: Impacts of leaching time on leachate pH under different leaching pH conditions2.3酸性淋溶对Cd溶出的影响从图2可以看出，经过微生物真

16、菌菌悬液修复后的土壤样品中的Cd与对照组（未经任何处理）相比，更加稳定化，在pH = 3.5、5、7三种不同淋溶液的淋溶下均未出现渗滤液中含有大量游离态Cd。而未经任何处理的对照组，则前10天在三种不同淋溶液的淋溶下均出现了大量游离态Cd溶出的峰值现象。这充分说明，经过微生物真菌菌悬液修复后的土壤样品中的Cd被微生物固定稳定化，因此在酸性淋溶过程中未出现大量Cd溶出的现象。图2：不同pH值条件下淋出时间对Cd溶出的影响Fig.2: Impacts of leaching time on leachate Cd concentrations under different leaching pH

17、 conditions3 结论本研究利用两株环境中分离得到的耐镉真菌菌株制成的菌悬液对镉污染土壤进行微生物修复处理，取得一定的效果。并模拟酸雨对修复效果的稳定性进行评价，修复之后的土壤的pH值稳定性提高，同时酸性溶出有效态镉量明显下降。利用真菌菌株对重金属污染的土壤进行修复治理是土壤修复治理领域的新尝试，为今后采用微生物技术提供了参考。参考文献1 廖国礼, 吴超. 尾矿区重金属污染浓度预测模型及其应用J. 中南大学学报(自然科学版), 2004, 35(06) : 100910132 田耀全, 郝汉舟, 靳孟贵. 生物修复在治理土壤污染中的应用J. 安全与环境工程，2006, 04:30-34

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