聚丙烯酸盐对重金属污染修复作用的研究

【摘要】：土壤重金属污染对植物生长和土壤生物活动有明显的毒害作用,同时对生态系统稳定和人类健康存在潜在的威胁。当污染面积较大,时间较长时,应用土壤原位修复技术是一个合适的选择。而对于不同的污染土壤选择合适的修复物十分重要。本文采用了室内溶液培养、盆栽试验和半野外试验(semi-field experiment)等方法主要研究了聚丙烯酸盐(聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵及聚丙烯酸钠)对重金属离子的吸附效应和能力及对外加重金属污染土壤和长期重金属污染土壤的修复作用,此外我们也探讨了葡萄牙城市垃圾堆肥对矿区重金属污染土壤修的复作用和植物修复作用。本研究是首次将聚丙烯酸盐应用到重金属污染土壤的修复上,丰富了重金属污染土壤修复技术,并为合理应用城市废弃物如废弃尿不湿和城市垃圾修复重金属污染的矿区土壤提供实践依据。研究结果表明： (一)聚丙烯酸盐对水溶液中重金属离子的吸附效应的试验结果表明：在重金属水溶液中,聚丙烯酸盐可快速吸附重金属离子且在120天的浸泡过程中吸附数量基本稳定。在pH 4.5-6.5条件下,聚丙烯酸盐对重金属离子的吸附量最大。聚丙烯酸盐吸附重金属离子后,吸水能力显著下降；聚丙烯酸盐对重金属的吸附能力远大于醋酸铵,略高于柠檬酸,而与EDTA相近。在土壤盆栽试验中,聚丙烯酸盐可以显著改善Cd污染条件下的黑麦草的生长,显著降低黑麦草对Cd的吸收,土壤中的水溶性Cd的数量也显著降低。在盆栽条件下,聚丙烯酸盐的合理用量应该在0.1%左右。 (二)通过盆栽试验研究了在外源性复合重金属污染土壤上聚丙烯酸盐对黑麦草生长、黑麦草中重金属含量以及土壤中水溶性重金属的含量的影响。无论在单一重金属还是复合重金属污染的土壤上,聚丙烯酸盐的使用可以明显改善外源重金属污染土壤上黑麦草的生长并显著地降低植物体内重金属的含量,同时土壤中水溶性重金属的含量也显著下降。复合污染土壤中重金属之间的相互竞争导致了植株和土壤中重金属含量之间的明显差异。 (三)通过盆栽试验研究了聚丙烯酸盐和高粱修复长期Cd污染土壤的效果,结果表明与对照土壤相比,聚丙烯酸盐的应用显著改善了Cd污染土壤上高粱的生长,降低了植株体内吸收的Cd的含量和过氧化氢酶及抗坏血酸氧化酶的数量；土壤中的有效Cd的含量也显著下降,而土壤中各种酶的活性则显著提高,土壤性质得到明显改善。试验结果还表明,在聚丙烯酸盐修复的Cd污染土壤上,2个月的生长期间,高粱植株吸收Cd量约占土壤有效Cd总量的6%,因此,高粱可用于污染土壤Cd的植物提取。 (四)通过盆栽试验研究了不同水平的聚丙烯酸盐对重金属污染矿区土壤的修复作用,结果表明聚丙烯酸盐的应用提高了矿区污染土壤的持水能力,尽管这种持水能力随着聚丙烯酸盐对重金属的吸附而逐渐下降,其在植株生长期间对植株水分的供应是植株生长得到改善的主要原因之一。不同水平的聚丙烯酸盐(0.2%、0.4%、0.6%)对黑麦草的生长均起到了显著的促进作用,土壤中的有效铅含量显著下降,除土壤脲酶活性随着聚丙烯酸盐水平的增加而降低外,土壤其他酶活性均得到显著改善。应用主成分分析的结果表明,0.2-0.4%水平的聚丙烯酸盐体现了最佳的改善效果。 (五)通过盆栽试验研究了聚丙烯酸盐改善植株生长的机理,研究结果表明,在非污染土壤上,聚丙烯酸盐上携带的养分离子如NH4+和K+是促进多年生黑麦草生长的主要原因之一。而在长期重金属污染的矿区土壤上,聚丙烯酸盐的使用显著改善了污染土壤上植株的生长并降低多年生黑麦草植株体内重金属的含量。其作用机理主要是通过聚丙烯酸盐本身携带的养分及其对水分和重金属的吸附形成了一个有益于植物根系生长和微生物活动的微环境,即丰富的水分含量和养分供应及较低的重金属含量。而半野外试验(Semi-field experiment)结果表明聚丙烯酸盐对4种不同污染矿区本地植物的生长和土壤酶活性均起到了显著的促进作用。不同植株的生长和土壤pH与土壤酶活性存在显著的相关关系。不同植株对不同生长季节反映不同,其中C.fasciculatus和S.Purpurea因其在秋冬季节生长较好,可尝试用于矿区土壤的植被固定。 (六)通过对重金属污染的矿区土壤的半野外对比试验,尿不湿中的高吸水性聚合物表现出与纯聚丙烯酸盐相似的修复作用。与对照和直接使用尿不湿碎片处理相比,应用纯的聚丙烯酸盐或自尿不湿中提取的聚丙烯酸盐处理,的植株生长及植株覆盖速度明显提高,因此回收尿不湿中的高吸水性聚合物可以显著降低聚丙烯酸盐修复重金属污染土壤的成本。但将尿布湿粉碎后直接应用对土壤的性质及作物生长有一定的影响。这可能是由于其中含有大量的塑料和纤维所造成的。 (七)通过盆栽实验,研究了不同用量的城市垃圾堆肥和植株类型对重金属矿区尾矿上发育的土壤的酶活性的影响。城市垃圾堆肥的应用提高了土壤pH,并为植株生长提供养分,从而促进了D.glomerata和E.australis植株生长,改善了土壤酶的活性。其中,与没有植株生长和E.australis生长的土壤相比,有D.glomerata的生长土壤上磷酸酶、蔗糖酶和纤维素酶的活性最高。在使用堆肥的土壤上,E.australia的生长提高了土壤蛋白酶和纤维素酶的活性,但抑制了脱氢酶、磷酸酶和蔗糖酶的活性。这可能是由于其根系分泌的酚类化合物的作用。两种植株在重金属污染土壤上应用各有利弊,其中D.glomerata代表一种快速生长且生物量较高,对土壤养分的需求较大的引进植株,而E.australis则代表一种生长缓慢,生物量低,但可以在养分匮乏的土壤上存活的本地植株。 (八)通过盆栽试验研究了应用0.4%的聚丙烯酸盐、城市垃圾堆肥或者两者配合配合使用对长期重金属污染的矿区土壤的修复作用。在没有植株生长的情况下,两者配合使用的土壤蛋白酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性最大：而在单独使用聚丙烯酸盐和堆肥的土壤上纤维素酶活性和土壤微生物基础呼吸结果相近；使用堆肥使土壤脱氢酶活性改善最显著；相反脲酶活性则因两种物质的使用而受到抑制。在有植株生长的情况下,两种物质配合使用的土壤蛋白酶、蔗糖酶、纤维素酶活性和土壤基础呼吸最高,；而最大的酸性磷酸酶活性则出现在只有聚丙烯酸盐的处理上,脱氢酶活性则出现在只有堆肥的处理中。经过修复物处理的土壤上,植株生长均获得显著改善,最显著仍旧出现在两种物质配合使用的处理上。但是,不同植株对不同修复物反应不同,其中B.maxima在堆肥和聚丙烯酸盐配合的处理上生物量最大,而C.fasciculatus在单独使用堆肥的处理上生长最好,S.purpurea则对单独使用聚丙烯酸盐的处理反应明显。 (九)我们研究了聚丙烯酸盐在砂质土壤中被淋移的可能性。在长达2个月的模拟酸雨淋溶条件下,没有吸附铜离子的聚丙烯酸盐由于吸附了大量的水分而完全没有产生移动；吸附铜的聚丙烯酸盐的绝大多数也停留在原来的位置上,只有极少量的(约0.01%)的聚丙烯酸盐可能沿着土壤的大孔隙向下移动,移动距离没有超过5cm。试验结果表明,聚丙烯酸盐在吸附重金属后在土壤中是比较稳定的。