生物炭在農(nóng)田重金屬鎘污染治理中的應(yīng)用分析

伍藝 鄭敏怡 楊振東 朱蕓

（桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心廣西桂林541000）

生物炭在農(nóng)田重金屬鎘污染治理中的應(yīng)用分析

伍藝 鄭敏怡 楊振東 朱蕓

（桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心廣西桂林541000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對大自然的破壞程度也原來有嚴(yán)重，我國土地污染狀態(tài)也呈現(xiàn)著逐年惡化的趨勢，尤其是重金屬對于土地的污染問題，已經(jīng)成為了當(dāng)今社會一大嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文圍繞生物炭在阻礙農(nóng)田金屬鎘脅迫下農(nóng)作物保護(hù)酶系統(tǒng)中的應(yīng)用、生物炭在調(diào)控農(nóng)田重金屬土壤鎘賦存形態(tài)分布中的應(yīng)用、生物炭在農(nóng)田重金屬鎘吸附上的應(yīng)用三個方面展開討論，對生物炭在農(nóng)田重金屬鎘污染治理中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并提出了一些作者自己的拙見，希望能夠?qū)ξ覈r(nóng)田重金屬鎘的污染治理工作提供一些理論建議。

生物炭；農(nóng)田；重金屬鎘；污染治理

1 生物炭在阻礙農(nóng)田金屬鎘脅迫下農(nóng)作物保護(hù)酶系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)目前的研究認(rèn)為，重金屬鎘對農(nóng)田作物產(chǎn)生傷害的主要方式是引起農(nóng)作物體內(nèi)過氧化脅迫，其中包括產(chǎn)生活性氧化代謝產(chǎn)物以及加快氧酶活性的清除，最終引起脂質(zhì)過氧化以及蛋白結(jié)構(gòu)的變化和斷裂，最終導(dǎo)致細(xì)胞衰滅，引起農(nóng)作物產(chǎn)量降低。

SODCATPOD三種酶共同組成保護(hù)酶系統(tǒng)，它們通過相互間的協(xié)同作用，來維持自由基始終保持在較低水平狀態(tài)，避免自由基升高引起農(nóng)田破壞。農(nóng)作物中的SOD活性會隨著鎘脅迫處理濃度的增加而明顯上升。在單一濃度條件下加入生物炭，由C1處理的SOD活性明顯低于CK，由C2處理的SOD活性顯著升高。在不同生物炭的使用條件下，農(nóng)作物CAT活性未發(fā)生明顯變化。農(nóng)作物SOD活性與POD活性同時發(fā)生先降后升的變化，說明C2處理過程中施加的大量的生物炭，反而對農(nóng)作物產(chǎn)生了另一種脅迫，導(dǎo)致酶活性的反復(fù)升高。

在不同的鎘濃度條件下，不同處理方式的農(nóng)作物的游離脯氨酸含量也會隨著鎘濃度的增加而增加。在加入生物炭后，C1及C2處理的農(nóng)作物中的游離脯氨酸含量降低，且這一降低趨勢會隨著生物炭含量的增加而變得更加明顯。

2 生物炭在調(diào)控農(nóng)田重金屬土壤鎘賦存形態(tài)分布中的應(yīng)用

相關(guān)研究表明，重金屬鎘對于農(nóng)田的危害程度不僅僅取決于它在農(nóng)田中的濃度高低，同時也與它的賦存形態(tài)分布狀況具有較大的關(guān)系?，F(xiàn)階段，生物炭在農(nóng)田重金屬污染中治理中的應(yīng)用價值已經(jīng)得到了相關(guān)學(xué)術(shù)界的高度認(rèn)可，但對于這一技術(shù)的應(yīng)用主要還是集中在單一的賦存形態(tài)分布中。為此，筆者在此基礎(chǔ)上增加了重金屬土壤鎘賦存形態(tài)分布改變下的應(yīng)用研究，希望能夠?qū)罄m(xù)的農(nóng)田金屬鎘污染研究提供理論依據(jù)。

在加入生物炭之后，有機(jī)質(zhì)硫化物結(jié)合態(tài)與殘渣晶體結(jié)合態(tài)Cd占據(jù)了較大的比例，而氣他種類物質(zhì)的占比則低于1/2。土壤中的生活活性最高，能夠被植物直接吸收的可交換金屬鎘在生物炭加入之前的含量最高，占據(jù)土壤中鎘賦存總量的百分之二十；在加入生物炭之后，可交換態(tài)金屬鎘的占比逐漸降低。碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘的變化不大，仍然占比12%左右，并隨著生物炭的加入而提升。而遷移能力較弱的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘隨著生物炭的加入呈現(xiàn)出逐漸增加的狀態(tài)，但是增加趨勢較為平緩。硫化物結(jié)合態(tài)鎘并沒有隨著生物炭的加入而出現(xiàn)明顯的變化。在加入生物炭后，可交換金屬鎘從百分之二十降到百分之九，而毒性較低且難以被植物吸收的殘渣晶體格結(jié)合態(tài)鎘的占比則呈現(xiàn)出四到五個點的增加，綜上所述，生物炭的施加可以有效減少農(nóng)田土壤中的有效鎘金屬，并有助于土壤中鎘離子的鎖定。

3 生物炭在農(nóng)田重金屬鎘吸附上的應(yīng)用

生物炭的吸附能力不僅與外界條件有關(guān)，更多地是由它本身的理化性質(zhì)所決定的。生物炭顆粒越小、體表面積越大、孔數(shù)越多，其金屬吸附能力也越強(qiáng)。吸附與解吸是生物炭用來吸附重金屬的有效方式，這些過程的有效性會直接重金屬鎘在農(nóng)田中的遷移情況?，F(xiàn)階段，大部分研究都集中在生物炭吸附及解吸過程在重金屬上的應(yīng)用，而針對不同的最髙熱解溫度處理如何影響生物炭的吸附容量這一問題卻沒有深入的研究，筆者試圖在本文中對這一應(yīng)用進(jìn)行了研究。

根據(jù)下表3.1表明，生物炭對二價鎘的吸附量與它的酸堿度、陽離子交換量等呈現(xiàn)明顯的正比關(guān)系；而解吸量與酸堿度之間呈現(xiàn)明顯的反比關(guān)系。平均孔徑和吸附量以及固持量極之間存在顯著的反比關(guān)系，與解吸量之間存在明顯的正比例關(guān)系。上述結(jié)果表明，在所有影響生物炭吸附重金屬鎘的因素中，正向影響性較大的因素為酸堿度與陽離子交換量，其次為體表面積大小。反向影響較大的因素為生物炭的解吸能力大小。

表3 .1吸附解吸量、固持量與生物炭理化性質(zhì)之間的關(guān)系

在農(nóng)作物與不同熱解溫度生物解吸的同時，吸附狀態(tài)下的二價鎘解吸量會隨著震蕩時間的增加而不斷上升。在低濃度二價鎘狀態(tài)下，高熱結(jié)溫度生物炭吸附二價鎘之后能夠快速實現(xiàn)解吸量平衡。在保持解吸平衡狀態(tài)后，中熱解溫度生物炭固持鎘量與高熱解溫度生物炭固持鎘量均超出農(nóng)作物與熱解溫度300攝氏度的生物炭，T-500可以實現(xiàn)最佳的二價鎘固持效果。而對低濃度二價鎘中接受吸附解吸處理的樣品開展能譜分析后進(jìn)一步驗證了生物炭對重金屬鎘離子具有高度的吸附作用以及鎖定作用。

[1]丁華毅.生物炭的環(huán)境吸附行為及在土壤重金屬鎘污染治理中的應(yīng)用[J].廈門大學(xué)，2014.