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      表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤研究進展

      2015-12-26 02:17:14張家偉,尹光彩,林親鐵
      安徽農(nóng)業(yè)科學 2015年22期
      關(guān)鍵詞:植物修復表面活性劑重金屬

      表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤研究進展

      張家偉,尹光彩*,林親鐵,姬朋朋

      (廣東工業(yè)大學,廣東廣州 510006)

      摘要介紹了常用表面活性劑的種類和特點,分析了其輔助植物修復重金屬污染土壤的作用機理,綜述了表面活性劑在植物修復重金屬污染土壤中的應(yīng)用,總結(jié)了影響重金屬在植物體內(nèi)累積的因素,并展望了表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤的研究方向。

      關(guān)鍵詞表面活性劑;植物修復;重金屬;土壤

      中圖分類號S181;X171

      基金項目國家自然科學基金(41371317)。

      作者簡介張家偉(1988-),男,湖北仙桃人,碩士研究生,研究方向:土壤重金屬污染生態(tài)修復。*

      收稿日期2015-06-04

      Review of Surfactant in Phyto-remediation of Heavy Metals Contaminated Soils

      ZHANG Jia-wei,YIN Guang-cai*, LIN Qin-tie et al (Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006)

      AbstractThis paper mainly reviewed the advances of surfactants in improving the phyto-extraction efficiency, including the types, structure and characteristics of surfactants, together with the applications and mechanisms of surfactants in assisting phyto-remediation of heavy metal contaminated soil. Impact factors on heavy metal accumulation in plant were summarized, and the future studying fields of phyto-remediation of heavy metals contaminated soils assisting by surfactant were proposed.

      Key words Surfactant; Phyto-remediation; Heavy metal; Soil

      隨著我國工農(nóng)業(yè)高速發(fā)展,大量重金屬隨工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)施肥、不合理污灌和礦石開采等過程進入土壤,嚴重影響了土壤質(zhì)量,同時土壤質(zhì)量的好壞又直接影響著農(nóng)產(chǎn)品和地下水的安全。土壤中重金屬通過食物鏈產(chǎn)生生物放大效應(yīng),進而對人類健康造成極大的威脅,因此土壤重金屬修復成為環(huán)境科學領(lǐng)域研究的熱點問題。傳統(tǒng)物理化學法使用規(guī)模小、投資費用高,而且易產(chǎn)生二次污染,使土壤板結(jié)、退化、鹽漬化,且不適于低濃度大范圍重金屬污染土壤的治理[1]。開發(fā)有效的原位生物修復技術(shù)是治理重金屬污染土壤的重要思路。植物修復具有投資和維護成本低、操作簡便、易管理、無二次污染、不破壞土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點,被公認為生態(tài)友好型原位綠色修復技術(shù),已受到人們廣泛青睞。研究發(fā)現(xiàn)一些特殊的植物種,即超富集植物,如遏藍菜(Thlaspicaerulescens)、芥菜(Brassicajuncea)、龍葵(Solanumnigrum)、東南景天(Sedumalfredii)、蜈蚣草(Pterisvittata)、星香草(Haumaniastrumrobertii)等,對某些重金屬具有特別強的吸收能力,而本身不受毒害[2]。然而,這些超富集植物生物量普遍偏低,個體矮小,生長緩慢,受地域氣候影響,且移植本地時其生態(tài)位低于本土植物,處于競爭劣勢等因素限制[3],導致修復治理效率低、周期長,制約了其大規(guī)模的應(yīng)用,難于滿足要求。1974年,Wallace偶然發(fā)現(xiàn)土壤中添加螯合劑乙二胺四乙酸(EDTA)和次氮基三乙酸(NTA)能強化植物對重金屬的吸收,自此借助施加螯合劑或表面活性劑強化生長速度快、生物量大的普通植物來吸收富集重金屬方法便成為研究的熱點[4-5]。表面活性劑能絡(luò)合土壤中重金屬來增加重金屬的生物有效性,從而提高植物對重金屬的吸收與累積作用。筆者主要對人工合成表面活性劑和生物表面活性劑的作用機制與應(yīng)用進行了綜述與總結(jié),以期為后續(xù)表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

      1常用表面活性劑的種類和特點

      1.1種類 表面活性劑是指具有固定的親水疏水基團、有很強表面活性、能使液體的表面張力顯著下降的物質(zhì)[6]。親水基團表現(xiàn)出溶于水的性質(zhì),疏水基團表現(xiàn)出在相界面聚集的性質(zhì)。由于表面活性劑在溶液界面定向吸附的特性,使得表面活性劑具有獨特的表面活性,可以改變固體表面的濕潤性,同時具有乳化、破乳、起泡、消泡、分散、絮凝、洗滌、抗靜電、潤滑和增溶、勻染、拒水等性能[7]。表面活性劑已廣泛應(yīng)用于重金屬污染土壤修復,常用的表面活性劑主要分為人工合成的化學表面活性劑和易生物降解的生物表面活性劑。人工合成表面活性劑有陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性離子型4類。陰離子型表面活性劑主要包括醋酸、磺酸、硫酸及其鹽類等;陽離子型主要有季銨鹽(CTAN)、吡啶鹽等;非離子型主要包括聚乙二醇辛基苯基醚(TX-100)、脂肪酸山梨坦(Span-80)、聚山梨酯(TW-80)等;兩性離子型包括烷基二甲基銨丙酸內(nèi)鹽、甜菜堿等[8]。在修復重金屬污染土壤中較為常見的有陰離子型、陽離子型和非離子型(表1)。生物表面活性劑根據(jù)結(jié)構(gòu)及形態(tài)可分為5類:糖脂類(鼠李糖等)、磷脂(磷脂酰乙醇胺等)和脂肪酸類(甘油酯等)、脂多肽(莎梵亭等)和脂蛋白類(脂氨基酸等)、聚合物(脂雜多糖)和微粒(生物破乳劑)[9-10]。低分子生物表面活性劑脂多肽類和糖脂類應(yīng)用于修復重金屬污染土壤較為常見(表1)。

      1.2特點

      1.2.1人工合成表面活性劑。 人工合成表面活性劑是指人工化學合成能顯著降低界面張力的物質(zhì)。親水基團主要有-COOH、-SO3H、-O-、-OSO-3和NH2等,疏水基團主要有烷基、芳香基、有機氟和有機硅等。由于表面活性劑含有烷基、苯環(huán)、有機氟等,導致其具有一定毒害作用和難生物降性[21],其毒性大小順序為非離子和兩性型<陰離子型<陽離子型。有研究發(fā)現(xiàn),對于疏水基碳氫鏈,直鏈比帶有支鏈的易于生物降解;對于非離子表面活性劑的親水基,聚氧乙烯鏈越長,越不易生物降解;含有芳香基的表面活性劑較僅有脂肪基的表面活性劑更難于生物降解[22]。

      表1 修復土壤重金屬污染常用表面活性劑的種類

      1.2.2生物表面活性劑。 生物表面活性劑是指由植物、動物或微生物新陳代謝過程中產(chǎn)生的集親水基團與疏水基團于一體的具有表面活性的一類物質(zhì)[23]。生物表面活性劑的親水基團可以是離子或非離子形式的單糖、二糖、多糖、羧基、氨基或肽鏈;疏水基團則由各種脂肪烴組成。生物表面活性劑除了具有降低溶液表面張力、乳化和破乳、分散、增溶等作用外,還具有以下優(yōu)點:①低毒無毒特性;②易生物降解性;③能在極限條件下起作用;④選擇吸附性;⑤生物刺激性小;⑥易氧化分解;⑦結(jié)構(gòu)多樣性;⑧鹽溶液中不鹽析等[24-25]。

      2表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤的機理

      2.1增加了重金屬的生物有效性表面活性劑施加到土壤后,改變了重金屬在土壤中的形態(tài),提高了重金屬的生物有效性。有研究表明,表面活性劑分子先附著在土壤顆粒物表層與重金屬的結(jié)合物上,重金屬從土壤顆粒分離進入土壤溶液時與表面活性劑羧基發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),進而進入到表面活性劑形成的膠束中,降低表面張力,使重金屬從土壤中解離到土壤溶液中[26-27]。土壤溶液作為營養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)元素的載體,是植物不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。重金屬的生物有效性增加后,植物在進行生命活動時吸收重金屬的量可能大大增加。

      2.2促進了植物對重金屬的吸收 表面活性劑能與固相介質(zhì)中的金屬離子絡(luò)合,攜帶的親水基團的作用增加了植物根系與金屬離子的接觸。又因表面活性劑的疏水基作用,通過溶解膜脂使植物細胞的通透性增加,從而促進植物對重金屬的吸收。劉紅玉等[28]利用根尖微核技術(shù)研究了Cd和表面活性劑對植物根系的影響,發(fā)現(xiàn)表面活性劑LAS處理后蠶豆根尖透明度增加,細胞體內(nèi)Cd含量增加。

      2.3促進了植物對重金屬的運輸與累積 表面活性劑不但能促進植物吸收金屬離子,而且促進了重金屬在植物體內(nèi)的運輸和分布。龔寧[29]采用ATR-FTIR法探討表面活性劑作用下Cu、Cd在蔬菜體內(nèi)的轉(zhuǎn)移情況,發(fā)現(xiàn)SDBS、CTAB和TW-80提高了Cu或Cd從蔬菜根部向莖葉部的運移系數(shù)及土壤中Cd交換態(tài)比例。冉文靜等[30]用SDS對黑麥草進行處理,發(fā)現(xiàn)添加SDS后,Cd含量在細胞體內(nèi)有顯著增加,且在細胞體內(nèi)有區(qū)室化作用和細胞壁沉積作用,增強了黑麥草對Cd的吸收和累積能力。重金屬被植物根系吸收后隨植物組織液運輸至不同的部位,但不同組織部位的結(jié)構(gòu)不同,其耐受性也有很大差別。植物體內(nèi)能分泌一些能與金屬離子絡(luò)合的有機化合物,如金屬硫蛋白、ZNT家族蛋白質(zhì)等,絡(luò)合后的離子隨蛋白質(zhì)在植物體內(nèi)遷移分布到各個組織部位[31-32]。

      3表面活性劑在植物修復重金屬污染土壤中的應(yīng)用

      3.1人工合成表面活性劑 植物修復重金屬污染土壤在工程上已得到廣泛應(yīng)用。由于超累積植物生物量小,生長速度慢,促使人們研究表面活性劑輔助生物量大、生長速度快的植物。劉泓等[33]研究了不同添加劑對雪里蕻修復Cd污染土壤的影響,發(fā)現(xiàn)施加表面活性劑SDS后雪里蕻中Cd質(zhì)量濃度急劇升高,在20 mmol/L達到最大值。陳玉成等[34]通過表面活性劑與螯合劑強化雪菜吸收土壤Cd的盆栽試驗,發(fā)現(xiàn),表面活性劑不僅可以降低土壤對重金屬的吸附,同時促進了雪菜吸收土壤中的Cd。Almeida等[35]利用TX-100和SDS輔助馬齒莧吸收沉積物中的Cu,發(fā)現(xiàn)加入表面活性劑后增加了植株對Cu吸收,且集中累積在植株根部。Sun等[36]利用赤霉酸和非離子表面活性劑Tween-80輔助孔雀草修復重金屬Cd,發(fā)現(xiàn)赤霉酸和Tween-80能促進植物生長,同時促進了孔雀草對Cd的吸收,其吸收量比對照組增加了15%~33%。Gregorio等[37]發(fā)現(xiàn)表面活性劑TX-100提高了芥菜體內(nèi)不同組織中重金屬Pb的含量,但芥菜生物量有所降低。Liu等[38]利用APG輔助藨草修復多環(huán)芳烴和Pb復合污染土壤,發(fā)現(xiàn)APG濃度為20~40 mg/L時能有效促進芳香烴的降解和藨草對Pb的累積,在APG濃度為40 mg/L時Pb的累積效果最好。Armuthur等[39]利用TX-100和Tween-80輔助印度芥菜修復土壤中重金屬Pb和Cd,芥菜地上部位和地下部位重金屬Cd、Pb濃度隨表面活性劑濃度增加而增加,TX-100處理比對照組增加了200 mg/L,效果比Tween-80顯著。

      3.2生物表面活性劑 為了避免在修復過程中產(chǎn)生二次污染,有學者研究了易生物降解的表面活性劑。王德盛等[40]通過溫室大棚盆栽試驗,研究了EDTA和皂角苷輔助金福菇修復重金屬污染土壤,結(jié)果表明施加表面活性劑后生物量有所降低,其中在高濃度茶皂素作用下Pb在植物體內(nèi)含量比對照組增加了1.41倍,Cu和Cd在植物體內(nèi)也有所增加。Xia等[41]利用茶皂素輔助甘蔗吸收土壤中Cd,發(fā)現(xiàn)使用0.3%的茶皂素時,甘蔗體內(nèi)Cd含量有明顯增加,其中根部增加了96.9%,莖稈增加了156.0%,葉增加了30.1%。王吉秀等[42]通過盆栽試驗研究了CTAB、鼠李糖脂、茶角苷等不同離子類型的表面活性劑對小花南介生長和富集重金屬的影響,發(fā)現(xiàn)3種表面活性劑都能促進小花南芥各部位生物量增加,而且均有效促進了小花南芥對Zn、Pb的吸收。石福貴等[43]通過盆栽試驗研究了鼠李糖脂和EDDS(乙二胺二琥珀酸)對黑麥草生長與吸收土壤重金屬Cu、Zn、Pb和Cd的影響,發(fā)現(xiàn)1 g/kg的鼠李糖脂顯著降低了黑麥草地上部的生物量,并顯著增加了黑麥草體內(nèi)的重金屬含量。

      4表面活性劑修復重金屬污染土壤的影響因素

      由于表面活性劑種類繁多,結(jié)構(gòu)多樣,所含官能團有很大差異,各官能團絡(luò)合的條件有所不同,從而使影響表面活性劑吸附的因子具有多樣性。首先,表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤受到其自身結(jié)構(gòu)、官能團以及濃度的影響。王吉秀等[42]分別用不同濃度的鼠李糖脂、茶皂素和CTAB輔助小花芥蘭修復土壤中重金屬Pb和Zn,發(fā)現(xiàn)小花芥蘭體內(nèi)金屬含量隨3種表面活性劑濃度升高而增加,但是兩種糖脂類生物表面活性劑在相同最高濃度時作用效果表現(xiàn)顯著差異,鼠李糖脂作用后的含量為97.98 mg/kg,而茶皂素作用后的含量為44.68 mg/kg。此外,pH和離子強度是影響重金屬形態(tài)的重要因素,在低pH和低離子強度下,表面活性劑活化土壤中重金屬效果顯著,有利于植物的吸收與累積[44-45]。重金屬形態(tài)和類型以及植物類型也影響著表面活性劑修復重金屬。周小勇等[46]利用CTAB、SDBS、TX-100輔助長柔毛委陵菜修復酸性廢水污染的水稻土,結(jié)果表明CTAB處理對水稻土中Zn、Pb、Cd和Cu的解吸效果好于SDBS和TX-100,且3種表面面活性劑對各重金屬的解吸率均表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Pb。王莉偉等[47]研究了SDS、TX-100和EDTA對玉米和雪菜吸收Cd和Cu的影響,發(fā)現(xiàn)隨著表面活性劑濃度增加,植物體內(nèi)金屬含量也隨之升高,C3植物雪菜表現(xiàn)為吸收濃度高,而C4植物玉米累積濃度最高。

      5表面活性劑在重金屬污染土壤修復中存在的問題與展望

      目前,表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤已經(jīng)取得一定成果,大多集中在修復效果、累積方式等方面,對于由此帶來的土壤二次污染風險的研究較少,所以應(yīng)加強相關(guān)風險評估與研究。表面活性劑作用下土壤中生物有效態(tài)重金屬的含量要遠遠高于植物地上部位,植物的吸收速率遠低于活性劑的活化速率,大大增加了重金屬因滲濾對地下水造成的潛在污染。同時,表面活性劑能與土壤中的膠體、有機物等發(fā)生物理化學作用,在其親水性作用下隨水體不斷遷移,并導致土壤貧瘠化。其中,土壤膠體是重金屬和有機物的重要載體成分,但目前表面活性劑對土壤膠體的遷移影響沒有較為系統(tǒng)的研究。另外,施加表面活性劑對土壤養(yǎng)分元素的影響也有待進一步研究。

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