SRB-沸石联合技术对土壤铅的固定效果

2018-11-20王亚婷陶红群邓思维冉宗信

深圳大学学报（理工版） 2018年6期

魏威，余江，王亚婷，陶红群，邓思维，冉宗信

1)四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065； 2)四川大学新能源与低碳技术研究院，四川成都 610065；3)成都市环境保护科学研究院，四川成都610072

土壤具有缓冲和净化功能，是人类生存的重要保障. 但随着社会经济的快速发展，人类活动给土壤环境带来了严重危害. 重金属作为一类持久且不易降解的污染物，威胁着地下水安全、农业生产以及人类健康[1]. 在过去的半个世纪，全球约有2.20×104t的铬、9.39×105t的铜、7.83×105t的铅和1.35×105t的锌被排放到环境中，有很大部分进入了土壤[2]. 中国土壤受到重金属污染的情形也同样严峻，全国有超过1/6的耕地受到重金属污染，累计污染面积达到200万km2[3]. 受到重金属污染的粮食年平均量已达1 200万t，经济损失超过200亿元[4]. 与其他重金属相比，铅具有高溶解性、高生化活性和强致癌性的特点[5]. 铅的摄入会导致人体肾脏、生殖系统和神经系统等出现问题，另外铅对儿童的伤害尤为明显，主要损害儿童中枢神经系统，从而影响智力发育[6].

重金属在自然条件下很难降解，目前对受到重金属污染土壤采用的修复方法有物理修复、化学修复和生物修复. 其中，化学固定技术因在经济和时效性上具有无可比拟的优势而得到广泛应用[7]. 化学固定技术主要依靠施加固定剂得以实现，固定剂能够大幅降低重金属的生物有效性和毒性，且操作简单、投资成本低[8-9]. 但常规固定剂的施加可能改变土壤理化性质，不利于植物生长[10]，而微生物具有改良土壤理化性质的作用[11]. 将固定剂和微生物结合进行固定化处理，不仅可有效固定重金属，还可降低对土壤原生态系统的破坏，对重金属污染土壤治理具有一定的现实意义，但相关研究鲜有报道. 为此，本研究采用沸石、硅藻土和有机改良膨润土对铅污染土壤进行固定化处理，筛选出固定效果最佳的沸石及对铅具有固定作用的硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria，SRB)组成联合固定体系，通过浸出毒性实验判断其固定效果，为固定剂和微生物组配运用于铅污染土壤的修复提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试土壤采自成都市双流区某农田，取0～20 cm表层土，土壤理化性质如表1. 样品自然风干，去除草叶和石块等杂物，用球磨机磨碎后过0.2 mm筛. 土壤样品采用人工染毒方式对样品铅进行加富处理. 即称取3 kg风干过筛土样于水桶中，加入硝酸铅溶液进行染毒，并加入1 L蒸馏水，不断搅拌30 min. 然后将土壤倒入托盘. 放置在阴凉通风处，自然风干3～5 d，磨碎过2 mm筛，备用. 染毒后土壤中铅(Pb)的实际质量分数为829.1 mg/kg. 浸出态Pb的质量分数为132.1 mg/kg.

表1 土壤的理化性质指标测量结果Table 1 Measurement results of physical and chemical properties of soil

1.2 菌种培养

1)实验菌种.

有效微生物群菌(effective microorganisms，EM)是由光合细菌、乳酸菌和酵母菌等3大菌群70多种微生物组成，通过发酵工艺将上述好氧及厌氧微生物混合培养，形成相互生长的基质和原料，通过相互共生增殖关系，形成一个结构稳定、功能广泛且具有多种多样微生物群落的生物菌群. SRB为单一菌种，购自长征化玻试剂公司，采用改进的波斯特盖特氏(Postgate)培养基对其进行培养.

2)菌种的培养.

本实验用EM菌为EM菌工作液，已含细菌所需的生长条件，不需要再培养，可以直接加入到土壤中. 按照改进的波斯特盖特氏培养基的配方，配置好培养基，并在121 ℃ 蒸汽下灭菌20 min. 用前添加灭菌后质量分数为0.6%的盐酸半胱氨酸溶液，其最高浓度为5 μg/mL(保持厌氧). 之后将提纯过的硫酸盐还原菌，接种于液体培养基中. 置于恒温厌氧培养箱中培养2 d. 瓶内生长出黑色群落时为培养成功，备用.

1.3 实验设计

1)单一细菌固定化实验.

取50 g制备好的土壤样品，按表2接种微生物，每组实验设3个重复，每克土壤样品加入0.5 mL超纯水，充分搅拌，置于阴凉通风处培养14 d，期间每天加水，保持田间持水量的70%. 其中，将含有SRB的土样封口培养，隔绝氧气. 14 d后，停止加水，自然风干、磨碎、过筛，备用.

表2 实验样品制备Table 2 Experimental sample preparation

2)固定剂筛选实验.

取50 g制备好的土壤样品，pH值约为7，分别按0、2、4、8和16 mg/g添加3种固定剂(沸石、硅藻土和有机改良膨润土)，保持固液比不变，充分搅拌后置于阴凉通风处固定14 d，每组实验样品设3个重复. 用四分法获取钝化后的土壤，将其研磨后，过0.2 mm筛，待测.

3)钝化剂和微生物复配实验.

取未添加有机质的人工染毒土壤(pH值约为7)50 g，首先按照8 mg/g添加所筛选出的最佳固定剂，与土壤混合均匀，再加入菌液和20 mL超纯水，充分搅拌. 每组实验设3个重复，置于阴凉通风处.为保持一定的持水量，每天加水2 mL左右，培养14 d. 自然风干、磨碎、过筛，待测.

4)分析方法.

土壤pH值采用酸度计测定，测定时，保持土水质量比为1.0∶2.5，用磁力搅拌器搅拌5 min，静置30 min后测定；通过电导仪测定土壤的电导率；采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤的有机质含量；采用凯氏定氮法利用消化炉和定氮仪测定全氮含量；采用消化法测定全磷含量；按照改进的BCR连续提取法测定铅总量.采用美国EPA的毒性特性浸出程序测定土壤在不同处理方式时铅的浸出态浓度[12-14].

1.4 数据分析与质量控制

实验所用试剂均为分析纯，所有实验结果均为3次重复样品数据的算术平均值，实验数据分析和制图采用Origin 9.1 软件完成.

2 结果与讨论

2.1 单一细菌对土壤铅的固定效果

EM菌和SRB分别对土壤铅的浸出态含量影响结果见图1. 由图1可知，两种微生物菌剂表现出完全不同的特性. 接种SRB后，土壤铅的浸出态质量分数呈下降趋势，且随接种菌液体积的增加，土壤铅的浸出态质量分数不断降低. 接种菌液体积为1 mL时，铅的浸出态质量分数减少了34.58%；接种菌液体积为4 mL时，铅的浸出态质量分数减少了38.32%. SRB是一种典型的还原细菌，去除重金属离子的主要途径体现在3个方面：① SRB利用自身表面的胞外聚合物吸附重金属离子；② 利用硫离子对重金属进行还原或直接沉淀；③ 通过电子传递途径还原高价态的重金属离子[15]. 本实验SRB促进Pb2+浓度降低的结果与韩剑宏等[16]研究机理一致，即Pb2+与S2-结合发生了共沉淀现象.

图1 不同菌种对土壤铅浸出态质量分数的影响Fig.1 Effects of different strains on leaching state of soil lead

EM菌的作用效果不同于SRB，实验发现，加入的EM菌越多，铅的浸出态质量分数也随之增多. 当加入菌液体积为1 mL时，铅金属的浸出态质量分数增加了4.67%；而当接种体积达到4 mL时，土壤铅的浸出态质量分数增加了28.66%. 显示EM菌对铅不具有固定作用. 本研究采用的EM菌主要由光合细菌、乳酸菌和酵母菌组成，乳酸菌和酵母菌在生长繁殖过程中，会分泌乳酸和乙酸等酸性物质[17-18]，使土壤pH值降低，促进了铅离子的溶解，这可能是导致铅浸出态质量分数增加的主要原因. 可见，EM菌对铅实际上起到了活化作用，增加了其迁移性和生物利用性，不适合作为固定土壤铅的微生物菌种.

2.2 复合细菌对土壤中铅的固定效果

按质量比1∶1接种EM菌和SRB，对土壤中铅的浸出态质量分数的影响结果如图2. 由图2可知，同时接种EM菌和SRB，土壤中铅的浸出态质量分数有所降低，且随接种量的增加，浸出态铅的质量分数随之减少. 但复合细菌的处理效果远低于SRB单一菌剂. 当接种复合细菌4 mL时，与空白对照组相比，铅的浸出态质量分数仅减少了35.98%；而接种SRB 1 mL时，土壤中铅的浸出态质量分数减少了34.58%. 可见，EM菌与SRB联合作用，依旧对土壤中的铅表现出一定的固定作用，但EM菌降低了SRB的作用，使处理效果偏低. 因此，EM菌不适用于与SRB联合.

图2 1∶1接种EM菌和SRB菌对铅浸出态质量分数的影响Fig.2 Effect of 1∶1 EM and SRB inoculation on lead leaching state

2.3 单一固定剂对土壤铅的固定效果

图3是在相同浓度梯度下，3种固定剂对土壤中铅的固定曲线. 由图3可知，3种固定剂对土壤铅的固定效果依次为：沸石>有机改良膨润土>硅藻土. 沸石最高固定效率达到61.1%，有机改良膨润土最高固定效率仅为21.6%，而硅藻土对铅的浸出含量并无明显影响，表明硅藻土对铅不具有明显的固定作用. 此外，当沸石的质量分数为8 mg/g时，其固定效率大幅提升，由质量分数为4 mg/g时的31.2%升至60.3%；而当沸石质量分数为16 mg/g时，固定效率仅增加了0.8%，因此本研究以8 mg/g作为沸石的最佳添加量，且选择沸石作为后续实验的研究对象. 此研究结果与康宏宇等[19]一致，其原因在于，沸石是一种碱性金属或碱土金属的水化铝硅酸盐晶体，具有很强的离子交换吸附和专性吸附能力. 主要是通过调节土壤pH值和阳离子交换量来降低铅的活性[20]，其中沸石对铅离子的交换能力最强.因此，沸石对Pb2+有很好的吸附作用[21]. OLIVEIRA等[22]认为沸石还可能对Pb2+有很好的催化去除效果，其催化的许多反应属于正碳离子型.

图3 不同固定剂对土壤铅离子的固定效率Fig.3 The fixed efficiencies of different fixatives on soil lead

2.4 微生物与固定剂组配对土壤铅的固定效果

在SRB接种量为4 mL、沸石质量分数为8 mg/g 时，将最佳单一固定剂沸石与具有固定效果的SRB进行组配，探究其对土壤中铅的修复效果. 图4表示单一SRB、单一固定剂沸石和SRB+沸石3种处理方式对铅的固定效率. 结果表明，SRB+沸石联合修复体系的固定效率最高，达到70.14%，而单一沸石处理的固定效率为60.3%，单一SRB处理的固定效率仅为38.2%. SRB+沸石联合修复体系固定效率比相同条件下单一沸石处理提高了一倍，比单一SRB处理提高了近10%. 究其原因，沸石主要通过改变土壤pH值来抑制土壤中铅的活性[23].李华等[20]研究发现沸石可以使土壤pH值升高，土壤的氧化还原电位会显著降低，可能使厌氧微生物SRB活性增加[24]，进一步提高了固定效率. 由此可见，pH值是影响SRB+沸石联合修复体系固铅稳定性的重要因素，不仅可能改变Pb2+的存在形态，增加溶出量，还会影响SRB的活性. 不过微生物能否降低对钝化后土壤原生态系统的影响，还有待于进一步探究.