蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用對土壤吸附鉛的影響

楊生權(quán)

（山西省生物研究所，山西 太原 030006）

近年來，隨著土壤重金屬污染問題不斷加重和食品安全問題的日益突出，重金屬污染的土壤越來越被學者們視為重點研究對象。由于重金屬具有不可降解性和一定的穩(wěn)定性[1]，且在生物體內(nèi)的累積性對人的健康造成重大威脅，重金屬的去除已越來越受到人們的重視[2]。目前，處理重金屬的方法主要有物理法、化學法和生物法，其中，物理法中的吸附作為一種簡單、高效、低成本的處理方法受關(guān)注程度日漸提高[3]。生物質(zhì)炭自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)的特點以及蚯蚓日?；顒雍蜕砘顒泳蓪饘匐x子的形態(tài)分布造成一定程度的影響[4-5]。

蚯蚓對土壤中污染物由生物鏈中低營養(yǎng)級向高營養(yǎng)級的傳遞過程有著至關(guān)重要的作用。HOBBELEN等[6]研究指出，蚯蚓本身生命活動及生理活動對污染物的積累可以對污染物起到富集的作用，蚯蚓對重金屬的富集主要通過其生命活動如取食、挖掘、吞噬、體內(nèi)酶分泌、排泄等影響土壤中外源污染物的遷移轉(zhuǎn)化和形態(tài)分布，進而影響土壤中重金屬的含量[7]。同時，金屬離子質(zhì)量分數(shù)的不同，蚯蚓種的不同及馴養(yǎng)時間的長短，均會對最終的污染物富集作用產(chǎn)生不同影響[8-9]。并且，蚯蚓還可以改善和修復土壤的生態(tài)環(huán)境，大大提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[10]，在環(huán)境保護方面及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟方面均有較大的應用價值。

生物質(zhì)炭作為一種低成本吸附質(zhì)，可以簡單、高效地實現(xiàn)土壤中有害物質(zhì)的固定和去除[11-12]。因此，生物質(zhì)炭在重金屬吸附方面的應用值得研究和探索。

人們經(jīng)過長期試驗發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對重金屬的吸附機制具有多樣性，這些吸附機制（絡(luò)合作用、靜電吸附作用、離子交換作用等）單獨或共同作用[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)，在吸附過程中釋放的質(zhì)子和吸附的金屬離子的摩爾數(shù)并不相等，說明除氫離子對重金屬離子的交換作用以外，還有其他的作用機制對重金屬離子的吸附作出了貢獻（如沉淀作用和絡(luò)合作用）?？梢姡镔|(zhì)炭不僅能夠吸附重金屬離子，而且其作用機制也是復雜多樣的，是各種作用相互協(xié)調(diào)共同完成對重金屬離子的吸附過程。吸附過程中溶液的pH值、溶液溫度、吸附劑本身的性質(zhì)（與原材料和制備溫度有關(guān)）、共存的離子等都會不同程度對其造成干擾。如QIN等[15]對3種重金屬離子（Cd，Cu，Pb）在泥炭上的競爭吸附過程進行研究，結(jié)果表明，在2種溶質(zhì)和3種溶質(zhì)的體系中泥炭對金屬離子的吸附量都有所下降，并且在3種溶質(zhì)的體系中下降得更加明顯，說明當多種溶質(zhì)共存于體系中時會存在競爭吸附，導致吸附量下降。

重金屬在土壤中的存在具有不可逆性、隱蔽性等特點，其去除和恢復的難度較大，有必要著重研究。我國每年都會產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)，目前，對于這些廢棄物主要的處理手段是焚燒，焚燒不僅會產(chǎn)生大量的空氣污染物加重溫室效應，同時也浪費了大量資源。如果能將這些農(nóng)業(yè)廢棄物以生物質(zhì)炭的形式回歸于大自然，不僅可以緩解土壤污染的現(xiàn)狀，還可以提高土壤肥力，增加糧食產(chǎn)量。蚯蚓是土壤中生物量較大的生物類群，如果能將其有效利用和生物質(zhì)炭聯(lián)合在一起研究，對于生態(tài)效益和經(jīng)濟效益都具有重大意義。當前對生物質(zhì)炭和蚯蚓分別進行的研究有很多，但對二者聯(lián)合作用的研究幾乎沒有。

本試驗采用批量吸附的方法探究蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用后對土壤吸附鉛的影響，以期為今后蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用研究提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自太原市學府公園內(nèi)；供試蚯蚓為赤子愛勝蚯蚓；生物質(zhì)炭是將風干的牛糞進行研磨粉碎后過篩，經(jīng)馬弗爐碳化制備而成。

1.2 試劑及用品

試劑：CaCl2固體、Pb（NO3）2固體、100 mg/L 的Pb（NO3）2標準液。

用品：濾紙、皮手套、1 mm標準篩、2 mm標準篩、電子天平、原子吸收分光光度計（AA140/240）、搖床、研缽、藥匙、洗耳球、洗瓶、稱量紙、燒杯、移液管、一次性紙杯30個、塑料離心管50支、100 mL容量瓶7個。

1.3 試驗方法

試驗設(shè)5個試驗組和1個對照組：0BC（CK）.試驗土樣中不加生物質(zhì)炭，也不加蚯蚓；1BC.試驗土樣中只加1%含量的生物質(zhì)炭，不加蚯蚓；3BC.試驗土樣中只加3%含量的生物質(zhì)炭，不加蚯蚓；0BC5.試驗土樣中不加生物質(zhì)炭，只加5條蚯蚓；1BC5.試驗土樣中加1%含量的生物質(zhì)炭，同時加5條蚯蚓；3BC5.試驗土樣中加3%含量的生物質(zhì)炭，同時加5條蚯蚓。

1.3.1 土壤預處理 將取自太原市學府公園的土壤帶回，挑去植物根系、石塊等雜物，均勻鋪開在編制袋上風干，研磨粉碎土樣并過2 mm篩，裝在事先準備的封口袋中，備用。

1.3.2 生物質(zhì)炭的制備 生物質(zhì)炭采用馬弗爐制備：將風干后的牛糞進行研磨粉碎，過1 mm篩并充分混勻，置于250 mL坩堝中并小心輕輕壓實，放入馬弗爐中。將碳化的終點溫度設(shè)為550℃，待馬弗爐升到終點溫度后，關(guān)閉馬弗爐。等到馬弗爐冷的溫度降至室溫時取出，研磨后過2 mm篩并充分混勻，裝入封口袋，備用。

1.3.3 蚯蚓培養(yǎng)試驗 每份稱取100 g的備用土樣，于一次性紙杯中，共稱24份；將24份土樣平均分成3組，每組生物質(zhì)炭的添加量分別為0，1%，3%，用馬克筆在杯外壁上分別標記為0BC，1BC，3BC。每個紙杯中加入蒸餾水25 mL（使土壤含水量為25%左右，因為預試驗發(fā)現(xiàn)25%左右含水量的土壤最有利于蚯蚓生命活動）后，稱量每個紙杯質(zhì)量并用馬克筆將質(zhì)量數(shù)值（m1）分別標注在每個紙杯外壁上，置于實驗室環(huán)境下連續(xù)平衡15 d，每天用電子天平稱量，用洗瓶加蒸餾水使其質(zhì)量保持在m1＋1.5（保證土壤含水量為25%左右）。

在購買來的赤子愛勝蚓中，挑選大小相近、顏色鮮亮的蚯蚓75條，用自來水小心清洗干凈蚯蚓體表的泥土（要避免使蚯蚓的各個部位受到損傷，保證其體表的完整性），用蒸餾水進一步清洗后將其小心放在濾紙上便于其表面的水分被吸干。

取不同生物質(zhì)炭添加量的紙杯各5份（其中4個是平行試驗），在每個紙杯中放入5條挑選出的蚯蚓并稱量其質(zhì)量（m2），分別標注在一次性紙杯外壁上，添加了0%生物質(zhì)炭的標記為0BC5、添加量了1%生物質(zhì)炭的標記為1BC5、添加了3%生物質(zhì)炭的標記為3BC5，在實驗室環(huán)境下連續(xù)培養(yǎng)15 d，每天用用電子天平稱量其質(zhì)量，用洗瓶加蒸餾水使其質(zhì)量保持在m2＋1.5（保證土壤含水量為25%左右）；同時未加入蚯蚓的一次性紙杯也要在實驗室環(huán)境下每天稱取其質(zhì)量，用洗瓶加蒸餾水使其質(zhì)量保持在m1＋1.5（保證土壤含水量為25%左右），同樣連續(xù)培養(yǎng)15 d。

將培養(yǎng)后的土樣倒在封口袋上將蚯蚓用鑷子取出，土樣均勻平鋪在封口袋上放于實驗室風干，土樣風干后裝于封口袋中并用馬克筆分別標記為0BC5，1BC5，3BC5，備用。

1.3.4 Pb2+等溫吸附試驗 采用批量振蕩平衡法進行鉛的吸附試驗。首先，在50 mL塑料離心管中放入量取的0.500 g土壤，分別加30 mL系列濃度為 50，80，100，150，200，300 mg/L 的 Pb2+溶液，支持電解質(zhì)為0.01 mol/L的CaCl2混合液（每份土樣設(shè)置3個重復組，以減小誤差）。然后用含有特氟龍襯底的螺紋蓋密封后，將樣品瓶放到恒溫振蕩箱中，在200 r/min轉(zhuǎn)速和30℃條件下振蕩24 h，靜置澄清后取0.500 mL上清液稀釋40倍，用火焰原子吸收法測定，記錄吸光度y（全程以0.01 mol/L的CaCl2混合液為空白）。

1.3.5 標準曲線繪制 量取100 mg/L的Pb（NO3）2標準液 1，2，3，4，5，6，7 mL于 100 mL的容量瓶中，用0.01 mol/L的CaCl2混合液定容到刻度線，用火焰原子吸收法測量其吸光度，繪制標準曲線并記錄標準曲線方程。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Pb2+的吸附平衡濃度Ce計算方程如下。

式中，y代表吸光度，Ce代表Pb2+的吸附平衡質(zhì)量濃度（mg/L），k，b為常數(shù)。

Pb2+吸附量（Qe）計算方程如下。

式中，C0代表 Pb2+的初始質(zhì)量濃度（mg/L），Ce代表Pb2+的吸附平衡質(zhì)量濃度（mg/L），V代表溶液體積（mL），m 代表土樣質(zhì)量（g）。

將試驗所獲數(shù)據(jù)分別和Langmuir吸附等溫變形式 1/Qe＝1/Qm×K1×Ce＋Ce/Qm，F(xiàn)reundlich 吸附等溫變形式lnQe＝lnKf＋1/nlnCe進行擬合，記錄各相關(guān)系數(shù)。其中，K1是吸附系數(shù)，表示土壤對Pb2+吸附親和力的大小，其數(shù)值越大，表示吸附劑對吸附質(zhì)的吸附親和力越大，吸附能力越強，其數(shù)值和吸附劑的種類、特性及溫度有關(guān)。Kf是吸附系數(shù)，表示土壤對Pb2+吸附能力的大小，其數(shù)值越大，表示吸附劑對吸附質(zhì)的吸附能力越大，其數(shù)值和吸附劑的種類、特性及溫度有關(guān)。n是吸附反應級數(shù)，n一般大于1，n值越大，其吸附等溫線與線性偏離越大，吸附的不可逆性越大，吸附能力越強，其數(shù)值和溫度有關(guān)。R2是確定性系數(shù)，表示擬合值與實測值的適合度，其數(shù)值越接近于1，擬合效果越好。

2 結(jié)果與分析

只添加生物質(zhì)炭不加蚯蚓的土樣在不同的Pb2+濃度下對其吸附量如圖1所示，生物質(zhì)炭對Pb2+的吸附量與初始溶液中離子的含量相關(guān)，這是因為生物質(zhì)炭本身的性質(zhì)（較強的陽離子交換能力、較高的空隙率）決定了其對Pb2+具有較強的吸附能力，因此，當初始溶液中離子含量逐漸增大時，生物質(zhì)炭對Pb2+的吸附量也逐漸增大。

不添加生物質(zhì)炭的土樣在系列濃度下對Pb2+的吸附量＞添加了1%生物質(zhì)炭的土樣在系列濃度下對Pb2+的吸附量＞添加了3%生物質(zhì)炭的土樣在系列濃度下對Pb2+的吸附量。這是因為生物質(zhì)炭影響了Pb2+的轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)化為其他價態(tài)的鉛離子而存在于溶液中，而本試驗檢測波長只針對Pb2+，對于其他價態(tài)的鉛離子檢測不出來。其次，吸附反應是可逆的，本試驗溫度下，吸附反應增強的同時逆吸附也增強，導致土樣中生物質(zhì)炭的含量增加，其對Pb2+的吸附量反而下降。

添加了蚯蚓和不同量生物質(zhì)炭的土壤在不同初始濃度下對Pb2+的吸附量如圖2所示，生物質(zhì)炭與蚯蚓聯(lián)合作用后的土樣對Pb2+的吸附量與初始溶液中離子含量相關(guān)，生物質(zhì)炭由于其自身結(jié)構(gòu)和屬性對金屬離子有較強的吸附能力，蚯蚓自身生命活動（排泄、分泌）就是對金屬離子的積累過程，同時蚯蚓的生命活動、生理活動（排泄、分泌等）可增強生物質(zhì)炭對Pb2+的非專性吸附作用，故初始溶液中金屬離子含量的逐漸增加，導致了生物質(zhì)炭對Pb2+的吸附量也增大。生物質(zhì)炭在初始溶液中金屬離子含量較低時（50，80 mg/L），對 Pb2+的吸附位點較多，主要作用機制是專性吸附，故3種土樣對Pb2+的固持量差距不大。當溶液中金屬離子含量較高時，生物質(zhì)炭添加量為3%同時加入5條蚯蚓的土樣＞生物質(zhì)炭添加量為1%同時加入5條蚯蚓的土樣＞生物質(zhì)炭添加量為0%同時加入5條蚯蚓的土樣對Pb2+的吸附量。當蚯蚓與生物質(zhì)炭共同存在于土樣中時，蚯蚓抑制了生物質(zhì)炭對Pb2+的轉(zhuǎn)化，同時抑制了Pb2+在生物質(zhì)炭上逆吸附的過程。由于金屬離子濃度逐漸增大，生物質(zhì)炭對金屬離子的專性吸附位點接近飽和，故專性吸附作用減弱，其他吸附作用增強。蚯蚓的日?；顒雍蜕砘顒樱ǚ置?、排泄）增加了土壤環(huán)境的pH值，而生物質(zhì)炭對重金屬離子的吸附能力隨pH值的增大呈上升趨勢。因此，加入5條蚯蚓和不同質(zhì)量分數(shù)生物質(zhì)炭的土樣，對Pb2+的吸附量表現(xiàn)出生物質(zhì)炭投加量越多其值越大的趨勢。

不同金屬離子含量時，6種土樣對Pb2+的吸附量如圖3所示，在金屬離子含量較低時（100 mg/L以下），生物質(zhì)炭對土壤吸附Pb2+的吸附量沒有影響，因為當溶液中金屬離子含量較低時，生物質(zhì)炭對金屬離子的吸附位點比較多，對金屬離子的固持作用主要是專性吸附，固持量差距不大。在金屬離子含量較高時，生物質(zhì)炭降低了土壤對Pb2+的固持量。在高濃度時生物質(zhì)炭專性吸附位點接近飽和，其他固持作用（非專性吸附）增加，并且吸附反應增強的同時逆吸附也增強，因此，在金屬離子含量較高時蚯蚓與土壤作用后略降低了土壤對重金屬鉛的吸附量。蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用于土壤后，當生物質(zhì)炭投加量為1%和3%時，土壤對重金屬鉛的吸附量均增加，并且生物質(zhì)炭投加量為3%時土樣對Pb2+的固持量增加較顯著，與之前的分析結(jié)果相一致。

本試驗結(jié)果與Freundlich吸附等溫線和Langmuir吸附等溫線分別進行擬合后的相關(guān)系數(shù)列于表1。K1值越大，表示吸附劑與吸附質(zhì)之間的親和力越顯著，吸附能力越大。

從表1可以看出，K1（1BC5）＞K1（0BC5）＞K1（3BC）＞K1（0BC）＞K1（1BC）＞K1（3BC5），即添加了1%生物炭和5條蚯蚓的土樣對Pb2+吸附作用最強，添加了3%生物質(zhì)炭和5條蚯蚓的土壤對Pb2+吸附作用最弱。當吸附質(zhì)濃度較低時，專性吸附起主要作用，專性吸附與吸附劑本身性質(zhì)專性吸附位點相關(guān)，凸顯不出吸附質(zhì)的吸附能力。當吸附質(zhì)濃度較高時，非專性吸附起作用，此時能體現(xiàn)出吸附劑的吸附能力。添加了3%生物質(zhì)炭和5條蚯蚓的土壤，由于生物質(zhì)炭投加量大，使得此時專性吸附作用為主，故體現(xiàn)不出其吸附能力的大小。而1%生物炭添加量的土樣對Pb2+的固持不以專性吸附為主，而以非專性吸附為主，可體現(xiàn)其對金屬離子的固持能力。同時，土壤中1%生物質(zhì)炭的添加量最有利于蚯蚓的生命活動和生理活動，蚯蚓生命活動旺盛故黏液的分泌增多、蚓糞的排泄增加，而黏液和蚓糞也可對Pb2+起到一定的吸附作用，因此，添加了1%生物質(zhì)炭和5條蚯蚓的土壤表現(xiàn)出對Pb2+吸附能力較強。

表1 Langmuir和Freundlich吸附等溫線擬合的相關(guān)系數(shù)

分析 Qm值可知，Qm（3BC5）＞Qm（1BC）＞Qm（0BC）＞Qm（3BC）＞Qm（0BC5）＞Qm（1BC5），可見，生物質(zhì)炭添加量為3%同時加入5條蚯蚓的土壤對Pb2+的最大吸附量（Qm）最大，添加了1%生物質(zhì)炭和5條蚯蚓的土壤對Pb2+的最大吸附量最小。而根據(jù)K1值分析可知，添加了1%生物質(zhì)炭和5條蚯蚓的土壤對Pb2+吸附能力最強，添加了3%生物質(zhì)炭和5條蚯蚓的土壤對Pb2+吸附能力最弱。這是因為吸附是可逆的，在本試驗溫度下吸附作用越大逆吸附作用也增大，添加了1%生物質(zhì)炭和5條蚯蚓的土壤對Pb2+的吸附發(fā)生了較強的逆吸附現(xiàn)象，導致其雖然吸附能力較大但其最大吸附量卻最少的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本研究表明，試驗結(jié)果與Langmuir吸附等溫線擬合更好。在生物質(zhì)炭投加量為1%和3%時蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用有益于土壤吸附重金屬鉛。在生物質(zhì)炭投加量為0時，蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用沒有增加土壤對Pb2+的吸附量。蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用后的土壤對Pb2+的吸附量比只加生物質(zhì)炭或只加蚯蚓的土壤對Pb2+的吸附量大，即蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用具有增加土壤對Pb2+吸附量的趨勢。

4 展望

蚯蚓作為土壤與各種物質(zhì)交換的媒介，可有效影響土壤中各物質(zhì)的含量，因此，應充分考慮蚯蚓在土壤重金屬修復試驗以及污染物質(zhì)去除過程中的作用和效果。今后，可進一步探究如何將蚯蚓納入環(huán)境污染指示作用中，將蚯蚓與其他土壤修復手段相結(jié)合，提高土壤生態(tài)修復效率，降低土壤生態(tài)修復成本。生物質(zhì)炭的應用不僅可以去除環(huán)境污染物，更可以將一些農(nóng)業(yè)及生活廢棄物有效利用起來，可謂是一舉兩得，今后若廣泛使用，將會給環(huán)保領(lǐng)域帶來重要的影響。

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