模擬喀斯特環(huán)境下鉛鋅冶煉廢渣重金屬釋放特征及生物效應(yīng)*

劉明鳳 吳永貴,2,3# 李曉涵 文吉昌

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)應(yīng)用生態(tài)研究所，貴州 貴陽 550025；3.貴州喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站，貴州 貴陽 550025)

歷史上，貴州水城、赫章、威寧、畢節(jié)等地開展大規(guī)模土法煉鋅活動，遺留了大量含重金屬的鉛鋅冶煉廢渣，且這些地區(qū)是典型的喀斯特環(huán)境，主要以碳酸鹽巖為基礎(chǔ)，含有豐富的Ca，土壤中的Ca可達(dá)1～3 g/kg，會對重金屬遷移轉(zhuǎn)化以及生物毒性效應(yīng)產(chǎn)生影響[1-5]。但目前為止，Ca對重金屬交換態(tài)影響的相關(guān)研究結(jié)論尚不一致，有研究表明，在碳酸鈣含量較高的土壤中，重金屬與碳酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成重金屬的堿化物或難溶于水的碳酸鹽，通過改變土壤的性質(zhì)而影響土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤對重金屬的吸附量和吸附強度，減少重金屬向環(huán)境中遷移擴(kuò)散[6-9]。崔明陽等[10]通過向土壤中添加碳酸鈣研究了土壤對7種重金屬吸附解吸的影響，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣能增大土壤對重金屬的蓄積能力。而且碳酸鈣還能影響重金屬的賦存形態(tài)及生物有效性，顯著降低Cu、Zn、Pb、Cd和Ni有效態(tài)的含量和交換態(tài)的比例，減少植物與微生物對重金屬的吸收[11-14]。何真真等[15]的研究則發(fā)現(xiàn)氯化鈣對Cd有一定的活化作用，能提高植物對Cd的吸收和累積能力。郭朝暉等[16]8-10也發(fā)現(xiàn)氯化鈣中的Ca能激發(fā)重金屬活性，對土壤中Cd、Zn 的解吸有明顯促進(jìn)作用，并增加了土壤交換態(tài)Cr的比例，促進(jìn)重金屬向環(huán)境釋放。崔斌等[17]研究發(fā)現(xiàn)重金屬釋放會污染周圍環(huán)境，并對生物產(chǎn)生毒害作用，而Ca作為多種酶的組分和激活劑，能維持細(xì)胞正?；顒?，與重金屬競爭有效結(jié)合位點，可緩解重金屬對生物的毒性[18-21]。韋東普等[22]1390研究青海弧菌(Vibrioqinghaiensis) 在不同背景溶液下的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)土壤浸提劑為 0.01 mol/L氯化鈣時能明顯降低重金屬Cu對青海弧菌的毒性。然而到目前為止，關(guān)于喀斯特環(huán)境下Ca對植物在鉛鋅冶煉廢渣生態(tài)修復(fù)過程中廢渣重金屬向水體的釋放遷移及生物效應(yīng)的研究相對較少。為此，本研究以位于黔西北喀斯特地區(qū)的鉛鋅冶煉廢渣生態(tài)修復(fù)示范基地中植物-鉛鋅冶煉廢渣體系為參考，通過在鉛鋅冶煉廢渣中添加難溶性鈣鹽(碳酸鈣)與易溶性鈣鹽(氯化鈣)模擬喀斯特環(huán)境，并種植耐性植物黑麥草(LoliumperenneL.)進(jìn)行動態(tài)淋濾實驗，研究難溶性鈣鹽(碳酸鈣)與易溶性鈣鹽(氯化鈣)下鉛鋅冶煉廢渣中重金屬的淋出及淋濾液對發(fā)光細(xì)菌的毒性效應(yīng)，以期為喀斯特地區(qū)金屬冶煉渣場污染的原位控制與無土快速生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試廢渣

供試鉛鋅冶煉廢渣采自貴州威寧猴場鎮(zhèn)群發(fā)村(北緯26°41′，東經(jīng)104°43′)，主要包括鉛鋅礦冶煉礦渣、煤灰渣、燒結(jié)罐殘片等，廢渣中Cu、Pb、Zn、Cd與《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中pH>7.5時的重金屬含量相比，廢渣中Cu、Pb、Zn、Cd嚴(yán)重超標(biāo)(見表1)。所有采集樣品自然風(fēng)干，除去樣品中的植物殘根、枯枝落葉、蟲體等雜物，過2 mm篩備用。

表1 鉛鋅冶煉廢渣的基本理化性質(zhì)

1.2 淋濾實驗

為了能在重金屬含量較高的鉛鋅冶煉廢渣上培植植物，在鉛鋅冶煉廢渣中增加了富含C、N、P營養(yǎng)元素的發(fā)酵秸稈作為改善植物生境的改良劑；實驗設(shè)計空白組和添加鈣鹽的處理組，空白組只添加改良劑不添加鈣鹽，添加鈣鹽的處理組則添加難溶性碳酸鈣或易溶性氯化鈣，以1、2、4 g/kg的添加量加入到廢渣基質(zhì)中(見表2)，每個添加量3個平行。淋濾柱為高40 cm，內(nèi)徑為110 mm的聚氯乙烯(PVC)管(PVC管下部過濾層為紗布，防止礦渣進(jìn)入淋濾液，柱下接燒杯收集淋濾液)，管內(nèi)基質(zhì)總量為3 kg，裝管后每管加去離子水保持含水率為最大田間持水量的60%左右，穩(wěn)定15 d后，選擇顆粒飽滿、成熟度一致的黑麥草種子，用自來水沖洗后再用蒸餾水沖洗3次，均勻播種于管內(nèi)基質(zhì)中，播種深度為0.5～1.0 cm。定期澆水保持每管廢渣的含水率維持在最大田間持水量的60%左右，培養(yǎng)3個月后，開始淋濾，淋濾液總體積為7 000 mL，分4次淋濾并收集淋濾液，每次淋濾間隔2周。

表2 淋濾柱實驗設(shè)置

1.3 樣品收集與分析測試方法

每次取出淋濾液存放于聚乙烯瓶中，一部分用于pH、EC、Eh、生物毒性的測試，一部分過0.45 μm的微孔濾膜存于離心管(加入濃HNO3使pH<2)用于Ca、Mg、重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd)的測定。

淋濾液pH使用 pH 計(PHSJ-3F型)測定、EC用EC儀(DDS-11A型)測定，Eh采用Eh測定儀(ORP-422型)測定。淋濾液中Ca、Mg、Cu、Pb、Zn、Cd濃度采用《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中推薦的實驗方法，利用火焰原子吸收光譜儀(TAS-990AAS型)測定。

淋濾液生物毒性測定方法：將4 ℃保存的發(fā)光細(xì)菌(青海弧菌)接種在新鮮的固體培養(yǎng)基上，22 ℃培養(yǎng)12 h，挑取適量的菌落接種于液體培養(yǎng)基，22 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)12～16 h，供毒性測試使用。取150 μL的待測樣品于酶標(biāo)板中，加入50 μL培養(yǎng)好的菌液，使每個孔的總體積達(dá)到200 μL，將酶標(biāo)板放入酶標(biāo)儀(SuperMax 3000FL型)中振蕩，保持酶標(biāo)儀內(nèi)溫度22 ℃，測試反應(yīng)時間在15 min的發(fā)光強度。相對發(fā)光強度=樣品發(fā)光強度/空白組發(fā)光強度×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA方差分析和差異顯著性檢驗(p<0.05)，并采用 Duncans法進(jìn)行多重比較，同時對淋濾液理化性質(zhì)、Ca、Mg、重金屬、相對發(fā)光強度進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同外源鈣鹽對淋濾液理化性質(zhì)的影響

各處理組淋濾液pH、EC、Eh變化見表3，在廢渣中添加不同外源鈣鹽后淋濾液的pH大體隨淋濾次數(shù)的增加而增加，而EC大體降低，Eh先增加后降低。在同一淋濾次數(shù)下，與CK相比，氯化鈣能降低淋濾液的pH，這是因為氯化鈣屬于可溶性酸性鹽，在水環(huán)境中能夠電離出H+，使溶液的pH降低[23]。在第2次淋濾時，CK淋濾液EC最低，添加氯化鈣的處理組淋濾液EC隨添加量的增加呈上升趨勢，CL3處理達(dá)到最大，原因在于兩點：一是氯化鈣易溶于水，淋濾時以離子狀態(tài)進(jìn)入淋濾液，二是添加氯化鈣增加了淋濾液中離子濃度，使淋濾液的EC增加。添加碳酸鈣的處理組淋濾液EC與CK基本無顯著差異，Eh在第1次和第2次淋濾時均顯著低于CK，且隨添加量的增加呈下降趨勢，說明添加碳酸鈣對淋濾液EC無明顯影響，能顯著降低淋濾液的Eh。FENG等[24]的研究表明，外源添加劑碳酸鈣能增加土壤中細(xì)菌豐度，細(xì)菌活動增強從而間接降低土壤Eh。

表3 不同鈣鹽添加對淋濾液pH、EC、Eh的影響1)

不同外源鈣鹽添加對淋濾液中Ca、Mg濃度影響見圖1，與CK相比，添加碳酸鈣的3個處理組對淋濾液中Ca、Mg濃度無顯著影響。在第1次和第2次淋濾時，添加氯化鈣的3個處理組能顯著增加淋濾液中Ca的濃度，淋濾液Ca濃度分別為CK的3.50～7.78(第1次淋濾)、1.51～4.51(第2次淋濾)倍，這與氯化鈣易溶于水有關(guān)，廢渣中含有高濃度的氯化鈣，在淋濾時溶于水，大量的Ca進(jìn)入淋濾液中，使淋濾液Ca濃度增加。氯化鈣的添加同時會增加Mg的淋出濃度，淋濾液中Mg濃度為CK的1.10～1.23(第1次淋濾)、1.08～1.16(第2次淋濾)倍，這是因為添加氯化鈣增加了廢渣中的Cl，而在高氯環(huán)境中，Mg能與Cl結(jié)合，隨水向土壤下層移動，在淋溶條件良好的情況下，可促進(jìn)土壤中Mg的淋出[25]。Ca、Mg濃度總體表現(xiàn)為CL3最高，CL2、CL1次之，CO3、CO2、CO1、CK相對較低。

圖1 不同處理對淋濾液Ca、Mg質(zhì)量濃度的影響Fig.1 Effect of different treatments on Ca and Mg mass concentration in the leachates

2.2 不同外源鈣鹽對淋濾液中Cu、Pb、Zn、Cd濃度的影響

不同外源鈣鹽添加對淋濾液中重金屬濃度的影響見圖2。在第1次淋濾時，添加一定量難溶性的碳酸鈣大體能降低淋濾液中Cu、Zn濃度，CO2淋濾液Cu質(zhì)量濃度最低，為0.91 mg/L，CO3淋濾液Zn質(zhì)量濃度最低，為1.33 mg/L，這是由于碳酸鈣的CO3可能與重金屬Cu、Zn生成更難溶的重金屬碳酸鹽，從而對重金屬起到鈍化穩(wěn)定化作用[26]。在第2～4次淋濾時，外源鈣鹽促進(jìn)了廢渣中Cu的淋出，這與植物生長有密切關(guān)系，外源鈣鹽的添加能緩解重金屬對植物的危害，促進(jìn)植物生長，而生長過程中產(chǎn)生的根系分泌物能活化廢渣中的Cu，使Cu更易淋出[27-29]。在第3～4次淋濾時，添加碳酸鈣的3個處理組淋濾液Zn濃度均低于CK，說明在后期碳酸鈣的存在能降低廢渣中水溶性Zn含量，減少Zn的遷移。外源鈣鹽添加大體會促進(jìn)重金屬Pb和Cd的淋出，其中在第1次淋濾時，CO1、CO2、CO3、CL1、CL2、CL3淋濾液中Pb濃度呈“V”型變化，CO3達(dá)到最低，而淋濾液中Cd濃度呈階梯型變化，總體表現(xiàn)為添加氯化鈣能顯著增加Pb、Cd淋出濃度。這一方面是添加氯化鈣增加了廢渣中的Ca，其與重金屬發(fā)生“陪補效應(yīng)”，共同競爭廢渣中有效吸附位點，使重金屬吸附位點減少，從而增加重金屬的溶出[16]9。另一方面是Cl能夠吸引金屬偏離原來位置，隨著時間的增加，金屬擴(kuò)散到水溶液中[30]。丁軍丹[31]向可溶性鹽溶液中加入金屬，通過測量金屬單位面積質(zhì)量減少量，發(fā)現(xiàn)氯化鈣的水溶液能夠腐蝕金屬?？傮w而言，外源鈣鹽的存在會促進(jìn)廢渣中重金屬的溶出。

圖2 不同處理對淋濾液中重金屬質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Effects of different treatments on the mass concentration of heavy metals in the leachates

重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd)淋出濃度總體上表現(xiàn)為Zn>Cu>Pb>Cd，淋出濃度總體隨著淋濾次數(shù)的增加而降低，說明重金屬的溶出主要發(fā)生在淋濾前期，在后期基本保持穩(wěn)定或低量溶出，這與馬少健等[32]的研究結(jié)果相似，其原因可能是淋濾初期廢渣顆粒表面硫化礦物較多，易發(fā)生氧化反應(yīng)，使弱吸附態(tài)金屬解吸進(jìn)入淋濾液，而隨著淋濾次數(shù)的增加，廢渣中硫化礦物含量不斷下降，淋濾液必須進(jìn)入到顆粒內(nèi)部才能發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)速度下降，從而導(dǎo)致重金屬淋出濃度下降。

2.3 不同外源鈣鹽對淋濾液的發(fā)光細(xì)菌相對發(fā)光強度的影響

不同處理組淋濾液對發(fā)光細(xì)菌的相對發(fā)光強度的影響見圖3，整個淋濾階段內(nèi)，淋濾液中發(fā)光細(xì)菌的相對發(fā)光強度大體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，外源添加適量鈣鹽對淋濾液的毒性有緩解作用。第1次淋濾時，各組淋濾液相對發(fā)光強度介于18.81%～37.70%，第2次淋濾時，各組淋濾液相對發(fā)光強度迅速升高，上升35.23～66.20百分點。結(jié)合圖2可知，第1次淋濾時，CL1淋濾液中Cu、Pb、Zn、Cd濃度較CK均增加，但其相對發(fā)光強度高于CK，第2次淋濾時，CL1和CL3淋濾液中Cu、Pb、Zn、Cd濃度均顯著高于CK，但淋濾液的發(fā)光細(xì)菌相對發(fā)光強度與CK無顯著差異，這是因為淋濾液中Ca濃度處于能緩解重金屬毒性效應(yīng)的劑量水平，而Ca的半徑和重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd)半徑相對接近，能與其競爭生物-水表面結(jié)合位點，取代重金屬進(jìn)入生物體內(nèi)，從而降低重金屬對生物的毒性效應(yīng)[22]1390,[33]。CL3在第1次淋濾時，淋濾液的相對發(fā)光強度明顯低于CK，而在第2次淋濾時，與CK無顯著差異，是由于實驗所用發(fā)光細(xì)菌屬于淡水菌，在第1次淋濾時Ca的淋出濃度較高，淋濾液中鹽度過高不利于發(fā)光細(xì)菌的生長。淋濾中后期(第3～4次淋濾)，各處理組淋濾液的相對發(fā)光強度大體高于CK，可能是隨著淋濾次數(shù)的增加，淋出重金屬濃度降低，Ca在低濃度下也能緩解重金屬對發(fā)光細(xì)菌的毒性作用。

圖3 不同處理對淋濾液的發(fā)光細(xì)菌相對發(fā)光強度的影響Fig.3 Effect of different treatments on relative luminous intensity of luminescent bacteria in the leachates

2.4 淋濾液理化性質(zhì)、重金屬和相對發(fā)光強度的相關(guān)性和主成分分析

主成分分析中兩個排序軸(PCA1(68.07%)、PCA2(20.85%))共同解釋了88.92%的總變量，將其作為主成分軸(見圖4)。淋濾液EC和Ca、Mg、Cu、Pb、Zn、Cd濃度在PCA1上為正相關(guān)，pH、Eh、相對發(fā)光強度在PCA1上為負(fù)相關(guān)。pH和Cu、Pb濃度在PCA2上為正相關(guān)，Eh、相對發(fā)光強度和Ca、Mg、Zn、Cd濃度在PAC2上為負(fù)相關(guān)，結(jié)合相關(guān)性分析(見表4)，其整體上表現(xiàn)為EC、Ca、Mg、Cu、Pb、Zn、Cd之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，EC、Ca、Mg、Cu、Pb、Zn、Cd與pH存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，相對發(fā)光強度與Cu、Pb、Cd呈負(fù)相關(guān)且有顯著性，其中與Cu、Pb具有極顯著負(fù)相關(guān)性(p<0.01)，與Cd具有顯著負(fù)相關(guān)性(p<0.05)，說明Cu、Pb、Cd對發(fā)光細(xì)菌有很強的毒性作用，能使其發(fā)光效應(yīng)減弱，毒性大小為Pb>Cu>Cd，這是由于重金屬可取代發(fā)光細(xì)菌反應(yīng)酶的必需輔助因子，從而影響發(fā)光反應(yīng)中酶的催化代謝途徑[34]。

圖4 主成分分析Fig.4 Principal component analysis

表4 相關(guān)性分析1)

3 結(jié) 論

(1) 不同外源鈣鹽的存在會影響鉛鋅冶煉廢渣淋濾液的理化特征。難溶性碳酸鈣能顯著降低淋濾液的Eh，但對淋濾液pH和EC的影響無明顯規(guī)律；易溶性氯化鈣能降低鉛鋅冶煉廢渣淋濾液pH，提高淋濾液的EC，增加淋濾液Ca、Mg濃度。隨著淋濾次數(shù)的增加，各處理組淋濾液pH大體逐漸增加，EC大體降低，Eh呈先增加后降低趨勢。

(2) 不同外源鈣鹽的存在會促進(jìn)廢渣中重金屬的溶出。兩種鈣鹽影響下淋濾液中重金屬濃度總體表現(xiàn)為Zn>Cu>Pb>Cd，說明Zn較其他3種重金屬更易溶出，且在整個淋濾周期內(nèi)，重金屬的淋出濃度總體上隨淋濾次數(shù)的增加而降低。適量濃度的難溶性碳酸鈣在第1次淋濾時能降低淋濾液中Cu、Zn濃度。

(3) 不同外源鈣鹽的存在會影響淋濾液對發(fā)光細(xì)菌的生物毒性效應(yīng)。重金屬對發(fā)光細(xì)菌具有一定的毒害作用，外源添加適量濃度的鈣鹽能夠緩解淋濾液中重金屬對發(fā)光細(xì)菌的毒害作用，而添加鈣鹽濃度過高則會抑制發(fā)光細(xì)菌的生物活性，增強淋濾液對發(fā)光細(xì)菌的毒性。