蚯蚓与生物质炭联合作用对土壤吸附铅的影响

杨生权

（山西省生物研究所，山西 太原 030006）

近年来，随着土壤重金属污染问题不断加重和食品安全问题的日益突出，重金属污染的土壤越来越被学者们视为重点研究对象。由于重金属具有不可降解性和一定的稳定性[1]，且在生物体内的累积性对人的健康造成重大威胁，重金属的去除已越来越受到人们的重视[2]。目前，处理重金属的方法主要有物理法、化学法和生物法，其中，物理法中的吸附作为一种简单、高效、低成本的处理方法受关注程度日渐提高[3]。生物质炭自身结构性质的特点以及蚯蚓日常活动和生理活动均可对金属离子的形态分布造成一定程度的影响[4-5]。

蚯蚓对土壤中污染物由生物链中低营养级向高营养级的传递过程有着至关重要的作用。HOBBELEN等[6]研究指出，蚯蚓本身生命活动及生理活动对污染物的积累可以对污染物起到富集的作用，蚯蚓对重金属的富集主要通过其生命活动如取食、挖掘、吞噬、体内酶分泌、排泄等影响土壤中外源污染物的迁移转化和形态分布，进而影响土壤中重金属的含量[7]。同时，金属离子质量分数的不同，蚯蚓种的不同及驯养时间的长短，均会对最终的污染物富集作用产生不同影响[8-9]。并且，蚯蚓还可以改善和修复土壤的生态环境，大大提高作物的产量和品质[10]，在环境保护方面及农业经济方面均有较大的应用价值。

生物质炭作为一种低成本吸附质，可以简单、高效地实现土壤中有害物质的固定和去除[11-12]。因此，生物质炭在重金属吸附方面的应用值得研究和探索。

人们经过长期试验发现，生物质炭对重金属的吸附机制具有多样性，这些吸附机制（络合作用、静电吸附作用、离子交换作用等）单独或共同作用[13-14]。研究发现，在吸附过程中释放的质子和吸附的金属离子的摩尔数并不相等，说明除氢离子对重金属离子的交换作用以外，还有其他的作用机制对重金属离子的吸附作出了贡献（如沉淀作用和络合作用）。可见，生物质炭不仅能够吸附重金属离子，而且其作用机制也是复杂多样的，是各种作用相互协调共同完成对重金属离子的吸附过程。吸附过程中溶液的pH值、溶液温度、吸附剂本身的性质（与原材料和制备温度有关）、共存的离子等都会不同程度对其造成干扰。如QIN等[15]对3种重金属离子（Cd，Cu，Pb）在泥炭上的竞争吸附过程进行研究，结果表明，在2种溶质和3种溶质的体系中泥炭对金属离子的吸附量都有所下降，并且在3种溶质的体系中下降得更加明显，说明当多种溶质共存于体系中时会存在竞争吸附，导致吸附量下降。

重金属在土壤中的存在具有不可逆性、隐蔽性等特点，其去除和恢复的难度较大，有必要着重研究。我国每年都会产生大量的农业废弃生物质，目前，对于这些废弃物主要的处理手段是焚烧，焚烧不仅会产生大量的空气污染物加重温室效应，同时也浪费了大量资源。如果能将这些农业废弃物以生物质炭的形式回归于大自然，不仅可以缓解土壤污染的现状，还可以提高土壤肥力，增加粮食产量。蚯蚓是土壤中生物量较大的生物类群，如果能将其有效利用和生物质炭联合在一起研究，对于生态效益和经济效益都具有重大意义。当前对生物质炭和蚯蚓分别进行的研究有很多，但对二者联合作用的研究几乎没有。

本试验采用批量吸附的方法探究蚯蚓与生物质炭联合作用后对土壤吸附铅的影响，以期为今后蚯蚓与生物质炭联合作用研究提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤取自太原市学府公园内；供试蚯蚓为赤子爱胜蚯蚓；生物质炭是将风干的牛粪进行研磨粉碎后过筛，经马弗炉碳化制备而成。

1.2 试剂及用品

试剂：CaCl2固体、Pb（NO3）2固体、100 mg/L 的Pb（NO3）2标准液。

用品：滤纸、皮手套、1 mm标准筛、2 mm标准筛、电子天平、原子吸收分光光度计（AA140/240）、摇床、研钵、药匙、洗耳球、洗瓶、称量纸、烧杯、移液管、一次性纸杯30个、塑料离心管50支、100 mL容量瓶7个。

1.3 试验方法

试验设5个试验组和1个对照组：0BC（CK）.试验土样中不加生物质炭，也不加蚯蚓；1BC.试验土样中只加1%含量的生物质炭，不加蚯蚓；3BC.试验土样中只加3%含量的生物质炭，不加蚯蚓；0BC5.试验土样中不加生物质炭，只加5条蚯蚓；1BC5.试验土样中加1%含量的生物质炭，同时加5条蚯蚓；3BC5.试验土样中加3%含量的生物质炭，同时加5条蚯蚓。

1.3.1 土壤预处理 将取自太原市学府公园的土壤带回，挑去植物根系、石块等杂物，均匀铺开在编制袋上风干，研磨粉碎土样并过2 mm筛，装在事先准备的封口袋中，备用。

1.3.2 生物质炭的制备 生物质炭采用马弗炉制备：将风干后的牛粪进行研磨粉碎，过1 mm筛并充分混匀，置于250 mL坩埚中并小心轻轻压实，放入马弗炉中。将碳化的终点温度设为550℃，待马弗炉升到终点温度后，关闭马弗炉。等到马弗炉冷的温度降至室温时取出，研磨后过2 mm筛并充分混匀，装入封口袋，备用。

1.3.3 蚯蚓培养试验 每份称取100 g的备用土样，于一次性纸杯中，共称24份；将24份土样平均分成3组，每组生物质炭的添加量分别为0，1%，3%，用马克笔在杯外壁上分别标记为0BC，1BC，3BC。每个纸杯中加入蒸馏水25 mL（使土壤含水量为25%左右，因为预试验发现25%左右含水量的土壤最有利于蚯蚓生命活动）后，称量每个纸杯质量并用马克笔将质量数值（m1）分别标注在每个纸杯外壁上，置于实验室环境下连续平衡15 d，每天用电子天平称量，用洗瓶加蒸馏水使其质量保持在m1＋1.5（保证土壤含水量为25%左右）。

在购买来的赤子爱胜蚓中，挑选大小相近、颜色鲜亮的蚯蚓75条，用自来水小心清洗干净蚯蚓体表的泥土（要避免使蚯蚓的各个部位受到损伤，保证其体表的完整性），用蒸馏水进一步清洗后将其小心放在滤纸上便于其表面的水分被吸干。

取不同生物质炭添加量的纸杯各5份（其中4个是平行试验），在每个纸杯中放入5条挑选出的蚯蚓并称量其质量（m2），分别标注在一次性纸杯外壁上，添加了0%生物质炭的标记为0BC5、添加量了1%生物质炭的标记为1BC5、添加了3%生物质炭的标记为3BC5，在实验室环境下连续培养15 d，每天用用电子天平称量其质量，用洗瓶加蒸馏水使其质量保持在m2＋1.5（保证土壤含水量为25%左右）；同时未加入蚯蚓的一次性纸杯也要在实验室环境下每天称取其质量，用洗瓶加蒸馏水使其质量保持在m1＋1.5（保证土壤含水量为25%左右），同样连续培养15 d。

将培养后的土样倒在封口袋上将蚯蚓用镊子取出，土样均匀平铺在封口袋上放于实验室风干，土样风干后装于封口袋中并用马克笔分别标记为0BC5，1BC5，3BC5，备用。

1.3.4 Pb2+等温吸附试验 采用批量振荡平衡法进行铅的吸附试验。首先，在50 mL塑料离心管中放入量取的0.500 g土壤，分别加30 mL系列浓度为 50，80，100，150，200，300 mg/L 的 Pb2+溶液，支持电解质为0.01 mol/L的CaCl2混合液（每份土样设置3个重复组，以减小误差）。然后用含有特氟龙衬底的螺纹盖密封后，将样品瓶放到恒温振荡箱中，在200 r/min转速和30℃条件下振荡24 h，静置澄清后取0.500 mL上清液稀释40倍，用火焰原子吸收法测定，记录吸光度y（全程以0.01 mol/L的CaCl2混合液为空白）。

1.3.5 标准曲线绘制 量取100 mg/L的Pb（NO3）2标准液 1，2，3，4，5，6，7 mL于 100 mL的容量瓶中，用0.01 mol/L的CaCl2混合液定容到刻度线，用火焰原子吸收法测量其吸光度，绘制标准曲线并记录标准曲线方程。

1.4 数据处理

Pb2+的吸附平衡浓度Ce计算方程如下。

式中，y代表吸光度，Ce代表Pb2+的吸附平衡质量浓度（mg/L），k，b为常数。

Pb2+吸附量（Qe）计算方程如下。

式中，C0代表 Pb2+的初始质量浓度（mg/L），Ce代表Pb2+的吸附平衡质量浓度（mg/L），V代表溶液体积（mL），m 代表土样质量（g）。

将试验所获数据分别和Langmuir吸附等温变形式 1/Qe＝1/Qm×K1×Ce＋Ce/Qm，Freundlich 吸附等温变形式lnQe＝lnKf＋1/nlnCe进行拟合，记录各相关系数。其中，K1是吸附系数，表示土壤对Pb2+吸附亲和力的大小，其数值越大，表示吸附剂对吸附质的吸附亲和力越大，吸附能力越强，其数值和吸附剂的种类、特性及温度有关。Kf是吸附系数，表示土壤对Pb2+吸附能力的大小，其数值越大，表示吸附剂对吸附质的吸附能力越大，其数值和吸附剂的种类、特性及温度有关。n是吸附反应级数，n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大，吸附的不可逆性越大，吸附能力越强，其数值和温度有关。R2是确定性系数，表示拟合值与实测值的适合度，其数值越接近于1，拟合效果越好。

2 结果与分析

只添加生物质炭不加蚯蚓的土样在不同的Pb2+浓度下对其吸附量如图1所示，生物质炭对Pb2+的吸附量与初始溶液中离子的含量相关，这是因为生物质炭本身的性质（较强的阳离子交换能力、较高的空隙率）决定了其对Pb2+具有较强的吸附能力，因此，当初始溶液中离子含量逐渐增大时，生物质炭对Pb2+的吸附量也逐渐增大。

不添加生物质炭的土样在系列浓度下对Pb2+的吸附量＞添加了1%生物质炭的土样在系列浓度下对Pb2+的吸附量＞添加了3%生物质炭的土样在系列浓度下对Pb2+的吸附量。这是因为生物质炭影响了Pb2+的转化，使其转化为其他价态的铅离子而存在于溶液中，而本试验检测波长只针对Pb2+，对于其他价态的铅离子检测不出来。其次，吸附反应是可逆的，本试验温度下，吸附反应增强的同时逆吸附也增强，导致土样中生物质炭的含量增加，其对Pb2+的吸附量反而下降。

添加了蚯蚓和不同量生物质炭的土壤在不同初始浓度下对Pb2+的吸附量如图2所示，生物质炭与蚯蚓联合作用后的土样对Pb2+的吸附量与初始溶液中离子含量相关，生物质炭由于其自身结构和属性对金属离子有较强的吸附能力，蚯蚓自身生命活动（排泄、分泌）就是对金属离子的积累过程，同时蚯蚓的生命活动、生理活动（排泄、分泌等）可增强生物质炭对Pb2+的非专性吸附作用，故初始溶液中金属离子含量的逐渐增加，导致了生物质炭对Pb2+的吸附量也增大。生物质炭在初始溶液中金属离子含量较低时（50，80 mg/L），对 Pb2+的吸附位点较多，主要作用机制是专性吸附，故3种土样对Pb2+的固持量差距不大。当溶液中金属离子含量较高时，生物质炭添加量为3%同时加入5条蚯蚓的土样＞生物质炭添加量为1%同时加入5条蚯蚓的土样＞生物质炭添加量为0%同时加入5条蚯蚓的土样对Pb2+的吸附量。当蚯蚓与生物质炭共同存在于土样中时，蚯蚓抑制了生物质炭对Pb2+的转化，同时抑制了Pb2+在生物质炭上逆吸附的过程。由于金属离子浓度逐渐增大，生物质炭对金属离子的专性吸附位点接近饱和，故专性吸附作用减弱，其他吸附作用增强。蚯蚓的日常活动和生理活动（分泌、排泄）增加了土壤环境的pH值，而生物质炭对重金属离子的吸附能力随pH值的增大呈上升趋势。因此，加入5条蚯蚓和不同质量分数生物质炭的土样，对Pb2+的吸附量表现出生物质炭投加量越多其值越大的趋势。

不同金属离子含量时，6种土样对Pb2+的吸附量如图3所示，在金属离子含量较低时（100 mg/L以下），生物质炭对土壤吸附Pb2+的吸附量没有影响，因为当溶液中金属离子含量较低时，生物质炭对金属离子的吸附位点比较多，对金属离子的固持作用主要是专性吸附，固持量差距不大。在金属离子含量较高时，生物质炭降低了土壤对Pb2+的固持量。在高浓度时生物质炭专性吸附位点接近饱和，其他固持作用（非专性吸附）增加，并且吸附反应增强的同时逆吸附也增强，因此，在金属离子含量较高时蚯蚓与土壤作用后略降低了土壤对重金属铅的吸附量。蚯蚓与生物质炭联合作用于土壤后，当生物质炭投加量为1%和3%时，土壤对重金属铅的吸附量均增加，并且生物质炭投加量为3%时土样对Pb2+的固持量增加较显著，与之前的分析结果相一致。

本试验结果与Freundlich吸附等温线和Langmuir吸附等温线分别进行拟合后的相关系数列于表1。K1值越大，表示吸附剂与吸附质之间的亲和力越显著，吸附能力越大。

从表1可以看出，K1（1BC5）＞K1（0BC5）＞K1（3BC）＞K1（0BC）＞K1（1BC）＞K1（3BC5），即添加了1%生物炭和5条蚯蚓的土样对Pb2+吸附作用最强，添加了3%生物质炭和5条蚯蚓的土壤对Pb2+吸附作用最弱。当吸附质浓度较低时，专性吸附起主要作用，专性吸附与吸附剂本身性质专性吸附位点相关，凸显不出吸附质的吸附能力。当吸附质浓度较高时，非专性吸附起作用，此时能体现出吸附剂的吸附能力。添加了3%生物质炭和5条蚯蚓的土壤，由于生物质炭投加量大，使得此时专性吸附作用为主，故体现不出其吸附能力的大小。而1%生物炭添加量的土样对Pb2+的固持不以专性吸附为主，而以非专性吸附为主，可体现其对金属离子的固持能力。同时，土壤中1%生物质炭的添加量最有利于蚯蚓的生命活动和生理活动，蚯蚓生命活动旺盛故黏液的分泌增多、蚓粪的排泄增加，而黏液和蚓粪也可对Pb2+起到一定的吸附作用，因此，添加了1%生物质炭和5条蚯蚓的土壤表现出对Pb2+吸附能力较强。

表1 Langmuir和Freundlich吸附等温线拟合的相关系数

分析 Qm值可知，Qm（3BC5）＞Qm（1BC）＞Qm（0BC）＞Qm（3BC）＞Qm（0BC5）＞Qm（1BC5），可见，生物质炭添加量为3%同时加入5条蚯蚓的土壤对Pb2+的最大吸附量（Qm）最大，添加了1%生物质炭和5条蚯蚓的土壤对Pb2+的最大吸附量最小。而根据K1值分析可知，添加了1%生物质炭和5条蚯蚓的土壤对Pb2+吸附能力最强，添加了3%生物质炭和5条蚯蚓的土壤对Pb2+吸附能力最弱。这是因为吸附是可逆的，在本试验温度下吸附作用越大逆吸附作用也增大，添加了1%生物质炭和5条蚯蚓的土壤对Pb2+的吸附发生了较强的逆吸附现象，导致其虽然吸附能力较大但其最大吸附量却最少的现象。

3 结论

本研究表明，试验结果与Langmuir吸附等温线拟合更好。在生物质炭投加量为1%和3%时蚯蚓与生物质炭联合作用有益于土壤吸附重金属铅。在生物质炭投加量为0时，蚯蚓与生物质炭联合作用没有增加土壤对Pb2+的吸附量。蚯蚓与生物质炭联合作用后的土壤对Pb2+的吸附量比只加生物质炭或只加蚯蚓的土壤对Pb2+的吸附量大，即蚯蚓与生物质炭联合作用具有增加土壤对Pb2+吸附量的趋势。

4 展望

蚯蚓作为土壤与各种物质交换的媒介，可有效影响土壤中各物质的含量，因此，应充分考虑蚯蚓在土壤重金属修复试验以及污染物质去除过程中的作用和效果。今后，可进一步探究如何将蚯蚓纳入环境污染指示作用中，将蚯蚓与其他土壤修复手段相结合，提高土壤生态修复效率，降低土壤生态修复成本。生物质炭的应用不仅可以去除环境污染物，更可以将一些农业及生活废弃物有效利用起来，可谓是一举两得，今后若广泛使用，将会给环保领域带来重要的影响。

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