化學(xué)淋洗對(duì)鉛鋅復(fù)合污染土壤微生物與酶活性的影響研究*

蘇耀明 陳志良# 譚映宇 雷國建 方曉航

(1.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655；2.浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310007)

土壤微生物在土壤環(huán)境中發(fā)揮著重要作用[1]。由于土壤礦物和微生物的相互作用可改變礦物表面性質(zhì)和微生物酶活性，進(jìn)而影響土壤肥力等環(huán)境效應(yīng)[2]。因此，土壤微生物及其酶活性可以反映土壤質(zhì)量、土壤肥力的演變，并可用作評(píng)價(jià)土壤健康的生物指標(biāo)[3-4]。重金屬污染土壤修復(fù)會(huì)導(dǎo)致土壤微生物、酶活性發(fā)生重要變化。在重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)中，化學(xué)淋洗被認(rèn)為是一種修復(fù)能力很高的技術(shù)。乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-Na2)是一種常用的淋洗劑，對(duì)大多數(shù)重金屬均有較好的螯合作用。但是EDTA-Na2單劑(以下簡(jiǎn)稱單劑)不能有效解決土壤中多種重金屬復(fù)合污染的問題，還會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞作用。近年來，采用EDTA-Na2與不同類型的表面活性劑混合作為淋洗劑的研究較多[5-7]。茶皂素作為一種天然的生物表面活性劑，因其毒性低、可生物降解、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到關(guān)注[8]。本研究比較了超純水單劑、EDTA-Na2與茶皂素混合劑(以下簡(jiǎn)稱混合劑)作為淋洗劑，對(duì)鉛鋅復(fù)合污染土壤化學(xué)淋洗后土壤微生物與酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 土壤樣本采集

實(shí)驗(yàn)用土壤樣本采自某鉛鋅礦尾礦庫區(qū)污染土壤，分上層(0～30 cm)、中層(30～60 cm)、下層(60～100 cm)分別采樣，并分袋裝好。土壤樣本在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除其中的植物殘?bào)w、石塊、沙粒等雜物，磨碎后過2 mm尼龍篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤淋洗裝置由加藥裝置、淋洗柱和淋洗液接受盒3部分組成。其中加藥裝置包括加藥桶和計(jì)量泵，控制淋洗液的流量。淋洗柱采用優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃圓管制成，柱體內(nèi)徑為25 cm，高為130 cm，底部用厚度為2 cm的有機(jī)玻璃網(wǎng)格板支撐并進(jìn)行防水設(shè)計(jì)，柱身從底部開始每隔10 cm設(shè)置土壤樣品采樣孔，位于上層、中層、下層的采樣孔采集的土壤樣品混合后進(jìn)行分析。淋洗液接受盒為40 cm×35 cm×30 cm的有機(jī)玻璃長(zhǎng)方體盒。將1.1中采集的下層、中層、上層土壤樣本依次由下往上填充，每層填充厚度為30 cm。淋洗劑由加藥裝置從淋洗柱上方進(jìn)行加藥。

單劑的EDTA-Na2摩爾濃度為0.09 mol/L，pH調(diào)節(jié)為3.0±0.1?；旌蟿┑腅DTA-Na2摩爾濃度為0.04 mol/L，按溶液質(zhì)量的1%添加茶皂素，pH調(diào)節(jié)為4.0±0.1。同時(shí)，用超純水作為對(duì)照淋洗劑。淋洗劑流量控制為12 L/h，每間隔1 h在淋洗柱采樣孔中分層采集土柱中的土壤樣品，測(cè)定土壤微生物和酶活性及其他指標(biāo)。

1.3 分析方法

稱取10 g土壤樣本置于50 mL燒杯中，加入25 mL超純水，攪拌混勻5 min，靜置60 min后用校正過的pH計(jì)(PHSP-3F型)測(cè)定土壤pH。

土壤中的鉛、鋅濃度采用HF-HClO4-HNO3法消解，火焰原子吸收分光光度計(jì)(島津AA-7000)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)根據(jù)《土壤檢測(cè) 第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》(NY/T 1121.6—2006)的要求測(cè)定；速效磷根據(jù)《酸性土壤有效磷的測(cè)定》(NY/T 1121.7—2006)方法測(cè)定；硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測(cè)定。

土壤真菌、細(xì)菌、放線菌、微生物總量等微生物指標(biāo)以及過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶等土壤酶活性指標(biāo)根據(jù)《土壤微生物生物量測(cè)定方法及其應(yīng)用》[9]的方法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤樣本鉛、鋅污染狀況

土壤樣本中鉛和鋅的濃度及超標(biāo)倍數(shù)如表1所示。所采集的上層、中層、下層土壤樣本鉛、鋅濃度均超過了《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(pH<6.5)。不同深度的土壤樣本鉛、鋅濃度表現(xiàn)為從上層到下層逐漸降低的趨勢(shì)。上層鉛超標(biāo)倍數(shù)為3.14倍，鋅超標(biāo)倍數(shù)為3.19倍。因此，以下研究主要針對(duì)上層土壤。

2.2 化學(xué)淋洗對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

上層土壤樣品的pH、有機(jī)質(zhì)、速效磷和硝態(tài)氮經(jīng)超純水、單劑和混合劑化學(xué)淋洗后的變化情況如表2所示。

從表2可見，超純水淋洗后土壤pH升高，由4.26變?yōu)?.36，而單劑和混合劑淋洗后pH分別降低到3.25和3.78；有機(jī)質(zhì)的變化情況表現(xiàn)為超純水淋洗后有機(jī)質(zhì)由3.1 g/kg降低為2.9 g/kg，而單劑和混合劑淋洗后土壤有機(jī)質(zhì)升高到了3.8、4.6 g/kg；速效磷的變化情況表現(xiàn)為3種淋洗劑均導(dǎo)致速效磷有所降低；3種淋洗劑也使土壤中的硝態(tài)氮均有降低。

2.3 化學(xué)淋洗對(duì)鉛、鋅的去除效果對(duì)比

化學(xué)淋洗后上層土壤樣品中鉛、鋅去除率的變化分別見圖1和圖2。

表1 土壤樣本中鉛、鋅污染狀況

表2 淋洗劑對(duì)上層土壤樣品理化性質(zhì)量的影響

圖1 化學(xué)淋洗對(duì)土壤中鉛的去除率Fig.1 The removal rate of Pb in soil by chemical washing

圖2 化學(xué)淋洗對(duì)土壤中鋅的去除率Fig.2 The removal rate of Zn in soil by chemical washing

從圖1可以看出，超純水對(duì)土壤中鉛的淋洗效果較差，去除率小于10%。單劑對(duì)土壤中鉛的去除率在前6 h提升明顯，6 h后去除率基本穩(wěn)定在30%左右，至12 h時(shí)去除率最高達(dá)到34.41%。在相同處理時(shí)間的條件下，混合劑比單劑的去除率更高，并且混合劑的穩(wěn)定時(shí)間更短?；旌蟿?duì)土壤中鉛的去除率在前5 h即達(dá)到了37.71%，12 h時(shí)去除率最高可達(dá)到43.44%。

從圖2可以看出，超純水對(duì)土壤中鋅的淋洗效果也差，去除率小于10%。單劑對(duì)土壤中鋅的去除率在6 h時(shí)達(dá)到26.62%，提升趨勢(shì)顯著，此后去除率提升趨于平緩，12 h時(shí)去除率最大達(dá)到32.70%?；旌蟿?duì)土壤中鋅的去除率在6 h時(shí)為31.10%，明顯高于單劑，6 h后去除率提升變慢但仍有提升，12 h時(shí)達(dá)到最大為37.62%。

2.4 化學(xué)淋洗對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物作為土壤的重要組成部分，可以很好地反映土壤中各種生物化學(xué)過程的動(dòng)向和強(qiáng)度[10]。土壤微生物可以敏感地反映土壤環(huán)境的微小變化，很多研究表明，土壤微生物與動(dòng)、植物相比對(duì)重金屬污染更具敏感性[11]。超純水、單劑和混合劑對(duì)土柱中土壤化學(xué)淋洗后，上層土壤樣品中真菌、細(xì)菌、放線菌、微生物總量的變化如圖3所示。

化學(xué)淋洗前真菌生物量為5.2×104cfu/g，超純水淋洗后土壤中真菌生物量降低到4.7×104cfu/g，變化不大；單劑、混合劑淋洗后土壤中真菌生物量顯著增加，尤其是混合劑淋洗后真菌生物量提高了近30倍，達(dá)到1.7×106cfu/g。

化學(xué)淋洗對(duì)土壤細(xì)菌的影響表現(xiàn)為：超純水淋洗后土壤中細(xì)菌生物量從9.7×105cfu/g升高到了1.1×106cfu/g，影響不大；單劑淋洗后土壤中細(xì)菌生物量急劇下降至1.0×105cfu/g，說明EDTA-Na2淋洗對(duì)土壤細(xì)菌的影響較大；混合劑淋洗后的細(xì)菌生物量略有升高，說明添加茶皂素能有效緩解EDTA-Na2對(duì)細(xì)菌的影響。

放線菌的生物量變化與真菌和細(xì)菌均不相同。超純水淋洗后放線菌生物量增加，單劑對(duì)放線菌生物量的變化影響不大，而混合劑淋洗后放線菌生物量急劇減少?；旌蟿┝芟磳?duì)放線菌生物量減少的原因分析，可能是由于真菌競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)，抑制了放線菌。

微生物總量的變化與細(xì)菌基本一致。因此，EDTA-Na2中適量添加茶皂素不僅可以提高重金屬的去除率，還能有效改善土壤微生物的生物量。

圖3 化學(xué)淋洗對(duì)土壤中微生物生物量的影響Fig.3 Effect of chemical washing on the biomass of micro-organisms in soil

2.5 化學(xué)淋洗對(duì)土壤酶活性的影響

超純水、單劑、混合劑對(duì)土柱中土壤化學(xué)淋洗后，上層土壤樣品中過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶的變化情況如表3所示。

表3 化學(xué)淋洗對(duì)土壤酶活性的影響

過氧化氫酶是參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一種重要的氧化還原酶，能促進(jìn)生物代謝中間產(chǎn)物過氧化氫的分解，緩解其對(duì)生物的毒害作用。過氧化氫酶活性在一定程度上反映了土壤生物化學(xué)過程氧化還原能力的大小。與淋洗前相比，超純水淋洗后過氧化氫酶略有升高；混合劑淋洗后過氧化氫酶活性略有降低；單劑淋洗后過氧化氫酶的活性急劇下降。對(duì)比單劑和混合劑對(duì)過氧化氫酶活性的影響可知，茶皂素可以很好地緩解EDTA-Na2對(duì)過氧化氫酶活性的影響。

脲酶的作用是催化進(jìn)入土壤的尿素迅速分解成二氧化碳和氨，所以脲酶活性過高對(duì)土壤肥力和作物生長(zhǎng)是不利的。從表3來看，只有混合劑淋洗后脲酶活性是降低的，超純水和單劑淋洗后脲酶活性略有提高，但是3種淋洗劑對(duì)土壤中脲酶活性影響都不大。

蔗糖酶可以把土壤中的蔗糖分子分解成能夠被植物和微生物利用的葡萄糖和果糖，其活性反映了土壤有機(jī)碳的累積與分解轉(zhuǎn)化規(guī)律。從表3可以看出，單劑和混合劑淋洗后蔗糖酶活性提高，特別是混合劑淋洗后蔗糖酶活性大大提高。

相關(guān)研究表明，土壤酶活性與土壤微生物、土壤污染狀況和土壤理化性質(zhì)等因素有關(guān)[12-13]。綜合分析不同淋洗劑淋洗前后土壤酶活性的變化可以發(fā)現(xiàn)：超純水淋洗可以增加土壤濕度，但由于對(duì)土壤中重金屬去除率較差，土壤酶活性仍然受到抑制作用，因此土壤酶活性變化不明顯；單劑淋洗后重金屬濃度降低，土壤脲酶和蔗糖酶活性略有提升，但由于淋洗后土壤pH下降，過氧化氫酶活性明顯受到抑制；由于茶皂素可以為微生物提供營養(yǎng)，因此真菌等微生物的生物量明顯增加，由于土壤中的酶很大一部分是由土壤微生物分泌的，因此混合劑淋洗后土壤酶活性明顯提升。

3 結(jié) 論

(1) 在相同處理?xiàng)l件下，混合劑對(duì)鉛和鋅的去除率比單劑高?；旌蟿?duì)土壤中鉛的去除率最高達(dá)到43.44%，對(duì)鋅的去除率最高為37.62%。

(2) 化學(xué)淋洗對(duì)土壤微生物影響表現(xiàn)為：?jiǎn)蝿┠茉谝欢ǔ潭壬洗龠M(jìn)土壤中的真菌生長(zhǎng)，混合劑中的茶皂素能進(jìn)一步增加土壤中真菌的生物量；單劑導(dǎo)致細(xì)菌生物量顯著下降，但混合劑能緩解EDTA-Na2對(duì)細(xì)菌的影響；微生物總量與細(xì)菌的變化規(guī)律基本一致；單劑對(duì)放線菌的影響不大，但超純水能促進(jìn)放線菌生物量的增加，而混合劑導(dǎo)致放線菌生物量減少。

(3) 單劑對(duì)過氧化氫酶活性有抑制作用，但混合劑中的茶皂素可以緩解EDTA-Na2對(duì)過氧化氫酶活性的影響；3種淋洗劑均對(duì)土壤中脲酶活性影響不大；單劑和混合劑都能提高蔗糖酶活性，尤其是混合劑。

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