矿区重金属污染快速检测及生物修复方法研究

王秋利,韩 勇

(安康学院 旅游与资源环境学院,陕西 安康 725000)

近年来,受到城市化建设的影响,矿区环境污染问题日益突出,其中以矿区重金属污染问题最为严重,如砷、铅、镉等重金属,在日常生活中很容易危害人体健康[1-3]。因此,急需发展可靠的矿区重金属检测技术。考虑到在工业生产中或其他途径产生的重金属会进入到矿区土壤中、水环境中,重金属又不容易降解,存活在矿区土壤中或水体中时间较长,很容易被人体吸收,危害人体健康[4-6]。矿区重金属检测手段并不能杜绝重金属中毒事件的发生,还需要修复手段对污染目标进行处理,使其恢复到健康状态,为此,提出生物修复方法的研究[7]。

目前,在矿区重金属污染检测和修复的研究中,更侧重成本的控制[8],逐渐从简单的比色分析法发展到一些借助仪器的检测方法,检测技术逐渐从单一性向着复合性发展,结合多种技术提高检测质量。相关领域国内外学者专家们的研究,Limosani Francesca[9]等提出了一种自顶向下的方法,在pH值大于7的环境下,将氨水与富勒烯过氧化氢的羟基自由基开环进行混合,发生反应后可以合成N-CQDs,在动态光散射以及相关设备的检测光谱表征下,N-CQDs可以有效用于金属离子检测。张瑞钢等[10]通过分析土壤物理化学性质和重金属形态变化,比较2种生物炭对Hg、Cd、Pb单一和复合污染土壤的修复效果,得到了生物炭在不同条件下对不同重金属的修复性能。以上对于生物修复技术的研究,主要利用物质的吸附性使污染物向稳定化形态转化,从而达到修复污染目标。但是以上方法和成果在实际应用上还存在一些不足,很容易造成重金属的进一步转移,加重环境污染。

为了快速、有效检测矿区重金属污染,确保生物修复效果,提出矿区重金属污染快速检测及生物修复方法研究。准备检测及修复试剂与仪器,利用乙酸纤维素膜制备试纸条,检测矿区中重金属离子含量。通过植物修复和生物炭—植物联合修复技术去除土壤中重金属离子,实现矿区重金属快速检测及修复。

1 材料与方法

1.1 检测试剂与仪器

在矿区重金属检测中,检测试纸条具有高灵敏度的优势,在研究中,将其与银染法相结合,扩大信号的可视化,通过银染信号的放大反应达到矿区重金属裸眼检测的目的[11-13]。

在检测前,准备的试剂与仪器见表1和表2。

表1 准备试剂Tab.1 Preparation reagent

表2 检测仪器Tab.2 Testing instruments

使用表1中的试剂配制实验试剂。取0.02 g双硫腙置于氯仿溶液中,经过超声震荡混合均匀,保存于棕色瓶中;将硝酸铅烘干,适宜温度为105 ℃,称取0.3 g,用超纯水溶解,倒入容量瓶中,加入硝酸,经过稀释后在4 ℃温度下保存备用;取硝酸铬0.3 g,经过超纯水溶解后倒入容量瓶中,加入硝酸,稀释后同样置于4 ℃温度下保存;银染液由还原剂和乳酸银溶液混合制成,同时还需要制备柠檬酸缓冲液,称取2.5 g柠檬酸和2.3 g柠檬酸钠,加入一定比例的超纯水,对其进行超声混合,混合均匀后常温保存[14];在配置银染液时,将0.85 g对苯二酚加入到柠檬酸缓冲液中,经过超声处理后,避光保存到棕色瓶中[15-17]。在完成试剂配制后,检测矿区重金属。

1.2 生物修复试剂与仪器

在生物修复方法设计与研究中,使用实验试剂配制矿区重金属污染样品,使用的主要试剂见表3。

表3 生物修复样品配制主要试剂Tab.3 Preparation of main reagents for bioremediation samples

生物修复效果理化分析所用的仪器见表4。

表4 生物修复所用仪器及用途Tab.4 Instruments and uses of bioremediation

1.3 优化检测条件

在整个检测过程中,吸附双硫腙的乙酸纤维素膜与金属离子的反应时间是衡量络合反应是否完全的重要指标。为了使其达到最好的效果,获得最佳反应时间,将完成制备的乙酸纤维素膜浸入到浓度相同的重金属离子溶液中,以5 min为间隔设置5组实验,在时间截止后,取出各乙酸纤维素膜,重复银染反应过程,扫描各个试纸条,分析试纸条上的灰度值和颜色变化,确定最佳时间。

在络合反应中,pH值对反应效率有直接影响,合适的pH值有助于提高络合效率,减少乙酸纤维素膜的非特异性吸附,不合适的pH值会影响络合反应效果,降低乙酸纤维素膜的灵敏性。为了选择出最佳pH值,将pH值设置在2～12,统一反应时间为20 min,重复上述过程,根据最后试纸条上灰度值和颜色变化确定最佳pH值。

1.4 检测方法

利用试纸条和银染液检测矿区重金属的原理是通过双硫腙与重金属的络合反应,将重金属离子的特异性络合出来,借助银染反应,扩大可视化信号。具体流程如图1所示。

图1 检测原理示意Fig.1 Schematic diagram of detection principle

将乙酸纤维素膜浸泡在双硫腙氯仿溶液中,静置20 min后,取出冲洗两遍后,将其浸泡在重金属离子溶液中,20 min后取出,形成特异络合物,可以看到试纸条变为粉色,重金属浓度越大,粉色越深[18-20]。将试纸条取出,使用超纯水清洗,浸泡到Na2S溶液中,静置15 min取出,通过硫离子与金属离子的竞争结合,取代重金属离子与双硫腙结合,将乙酸纤维素膜取出,放入到超纯水中,经过超声波清洗后取出非特异结合的Na2S,使用超纯水再一次对其冲洗,结束后保存到超纯水中。

1.5 生物修复方法

本文在生物修复过程中,主要利用植物修复的方法。采集15株生长芦苇和适量的盐地碱蓬种子,用于育苗实验。实验室温度控制在20～30 ℃。首先进行植物育苗,将盐地碱蓬种子浸泡5 h后移入土壤中培育。然后选取矿区中一定质量的污染土壤,均匀分成10份后,置于10个同样容量的有机玻璃柱中。经过一段时间培养,选取芦苇和盐地碱蓬幼苗各5株,移栽到10个有机玻璃柱中,并调整土壤的pH值。每隔4 d在20 cm深度处采集土壤样品,测量36 d内重金属含量的变化情况。

1.6 测量与表征

通过XSAM-800型X射线光电子能谱分析仪分析土壤表面的物质结构;利用pH-201型pH计测量土壤中的pH值,观察pH值对修复效果的影响。

2 结果与分析

2.1 检测结果

利用乙酸纤维素膜进行重金属污染检测,呈现出的效果如图2所示。

图2 乙酸纤维素膜不同时期的颜色Fig.2 Color of cellulose acetate film in different periods

将通过上述过程形成的乙酸纤维素膜浸入银染液中,在避光条件下将其放在摇床上反应20 min,在银染液中还原剂的作用下,出现肉眼可见的黑色颗粒,检测信号放大,实现了信号的可视化。将乙酸纤维素膜取出,使用超纯水清洗并吹干,将其放置到扫描仪上,分析乙酸纤维素膜中的灰度值大小。根据灰度值大小变化情况,确定矿区重金属污染程度。

通过上述过程完成矿区重金属污染的快速检测。检测结果显示,双硫腙与重金属离子的络合反应完全有效,银染反应能够将信号可视化放大,使目标达到裸眼检测的标准;当目标样品中不存在重金属离子时,或者样品中包含的金属离子浓度在检测限以下,银染反应并不会发生,即便发生催化反应,作用也非常弱,只有超出检测限才能发生反应。

检测出的重金属及其含量见表5。

表5 矿区土壤重金属含量Tab.5 Heavy metal content of soil in mining area

2.2 生物修复结果

2.2.1 生物修复后重金属含量变化

为测量生物修复效果,分别对5株芦苇和5株盐地碱蓬幼苗中土壤的重金属含量进行检测,检测结果如图3所示。

图3 不同生物对土壤中重金属含量的修复效果Fig.3 Remediation effect of different organisms on heavy metal content in soil

由图3可知,随着时间的增加,芦苇和盐地碱蓬对污染土壤均起到一定的修复作用。Cr含量由169.2 mg/kg降至100 mg/kg左右;Pb含量由78.4 mg/kg降至50 mg/kg左右;Zn含量由1 837 mg/kg降至800 mg/kg左右。总体修复效果,盐地碱蓬略好于芦苇。

2.2.2 XRD分析结果

利用X射线光电子能谱分析仪,分析重金属土壤修复前后表征,如图4所示。

图4 生物修复前后XRD表征图Fig.4 XRD characterization diagram before and after bioremediation

由图4可知,反应前后均存在特征峰,但反应后的特征峰较明显。通过XRD结果显示,生物修复方法对去除重金属离子效果较好。

2.2.3 pH值对修复效果的影响

利用pH计测量土壤中的pH值,获取不同生物在不同pH值下对修复效果的影响,如图5所示。由图5可知,随着pH值的增加,2种生物的重金属离子去除率均随之降低,但2种生物修复效果相差不大。说明pH值影响生物修复的效果。

图5 不同pH值对修复效果的影响Fig.5 Effect of different pH values on the repair effect

综上所述,在矿区重金属污染快速检测中,双硫腙与银染技术的结合,有助于提高矿区重金属的快速检测。由乙酸纤维素膜和其他溶液制备的试纸条具有高灵敏性,在样品进入后,通过对试纸条的扫描,可以获得目标的灰度值和颜色变化。以此作为依据,即可实现对各种不同的重金属的检测和分析,特别是在最优检测条件下,检测结果与ICP-MS得到的结果十分接近,说明该检测方法可以用于实际样品中的矿区重金属检测分析。

在生物修复方法研究中,将芦苇和盐地碱蓬作为修复生物,证明了生物修复重金属离子是可行的,通过实验研究了生物修复技术对重金属离子含量的影响,确定了生物去除矿区重金属的可行性。

3 结语

本文针对矿区重金属污染问题,提出了矿区重金属污染快速检测及生物修复方法研究,从快速确定矿区重金属污染源到修复重金属污染两方面研究,研究结果如下。

(1)双硫腙与重金属离子的络合反应完全有效,银染反应可放大可视化信号,实现矿区重金属污染的快速检测。

(2)检测出的重金属离子有Cr、Pb和Zn。

(3)芦苇和盐地碱蓬均可修复重金属污染土壤,盐地碱蓬的修复效果略好于芦苇。

(4)生物修复后,XRD特征峰更为明显,证明生物修复技术的可行性。2种生物在不同pH值下,去除率均受到影响,但2种生物的去除率相差不大。

研究内容虽然取得了不错的成果,但是在未来的应用上还有很大的进步空间。矿区重金属污染环境比较复杂,受到多种因素影响,本文研究内容对影响因素的分析和验证并不全面,如温度、湿度对矿区重金属的影响,在以后的研究中,将从更多角度研究矿区重金属的检测和修复技术,完善相关技术内容。