保水劑對土壤銅形態(tài)和植物吸銅的影響

房瑜靜， 秦端端， 陳望舒， 馬 帥， 王小治，2，3， 封 克，2，3

[1.揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇揚州 225127； 2.江蘇省(揚州)農(nóng)業(yè)環(huán)境安全技術(shù)服務中心，江蘇揚州 225127；3.江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210095]

銅是農(nóng)作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)構(gòu)成、參與光合電子轉(zhuǎn)移、線粒體的呼吸作用和細胞壁的新陳代謝等方面起著重要作用[1]，但土壤中過量的銅不僅會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響，其在農(nóng)作物中的累積也會通過食物鏈威脅人類的身體健康。由于土壤中銅的生物有效性取決于銅在土壤中的化學狀態(tài)，因此科學工作者正試圖通過改變銅在土壤中的活性狀態(tài)以降低土壤銅污染所造成的后果[2]。

土壤重金屬污染修復工作中，化學鈍化是國內(nèi)外普遍采用的方法之一[3]。其原理是通過向土壤中添加鈍化劑，促使重金屬向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，以降低其遷移能力，從而達到降低其生物有效性的目的。此類方法的修復效果主要取決于修復材料對重金屬的吸附和固持能力[4]，以及添加到土壤中后對土壤中重金屬形態(tài)的改變能力。

保水劑是一種具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的高分子聚合物材料，自身帶有大量的親水基團，因此具有超強的吸水保水能力，在短時間內(nèi)吸附水分可達自身質(zhì)量的幾百至上千倍[5-6]，已被廣泛應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、園藝、衛(wèi)生等方面[7]。保水劑結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)孔和分子表面及斷鏈處所攜帶的大量羥基可以對金屬離子形成絡合或螯合，使其活性降低，從而減少其生物有效性。曲貴偉等[8]曾報道保水劑可從液體中吸附重金屬達到幾千毫克每千克，從而提出利用保水劑去除工業(yè)廢水和土壤中重金屬的可行性設想。但添加保水劑是否影響土壤銅元素的形態(tài)轉(zhuǎn)化及植物對重金屬銅的吸收等還不清楚。

本研究采用保水劑聚丙烯酸鈉，通過對其在溶液中吸附銅的試驗和添加到土壤中的黑麥草吸收試驗，從土壤銅形態(tài)和植物銅吸收的角度，探討保水劑用于土壤銅污染治理的可能性，為后期的實際應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用的保水劑由北京漢力淼新技術(shù)有限公司生產(chǎn)提供，屬聚丙烯酸鈉鹽，分子量500萬～600萬，粒徑60目左右，在純凈水中的吸水倍率為434.3。

植物盆栽吸收試驗采用多年生黑麥草為供試植物。種植時間為2016年3—9月，試驗地點為揚州大學環(huán)境科學與工程學院實驗室。

供試土壤為湖南省株洲市某冶煉廠附近0～10 cm表層土，風干后過孔徑為1 mm的尼龍篩備用。該土壤的鉛、鎘、鋅污染嚴重，含量分別達到1 174.1、269.1、614.9 mg/kg，銅含量達到44.0 mg/kg，也超出了一級土壤的環(huán)境質(zhì)量標準。其余的土壤基本性質(zhì)為pH值6.23，有機質(zhì)含量28.6 g/kg，全氮含量1.37 g/kg，硝態(tài)氮含量74.2 mg/kg，銨態(tài)氮含量25.8 mg/kg，全磷含量358 mg/kg，速效磷含量43.6 mg/kg，全鉀含量11.1 g/kg，速效鉀含量56.7 mg/kg，陽離子交換量11.4 cmol/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 保水劑對溶液中銅的吸附和解吸試驗 銅離子吸附試驗：利用硫酸銅配制銅濃度分別為5、10、50、100、150、200、250、300 mg/L的溶液。將0.100 g保水劑分別加入裝有 100 mL 上述溶液的250 mL三角瓶中，每個處理3次重復。室溫下每隔2 h用手搖動三角瓶2 min，48 h后用200目尼龍網(wǎng)將銅溶液過濾，采用稱質(zhì)量法獲得濾液的體積。采用等離子體質(zhì)譜儀ICAP-6000 MS(美國Thermo公司生產(chǎn))測定濾液中的銅含量，根據(jù)試驗處理前后溶液中銅離子含量的變化和溶液體積，計算被保水劑所吸附的銅離子量。將過濾后的保水劑放入50 mL坩堝中，在65～70 ℃下烘干至恒質(zhì)量。采用 S-4800場發(fā)射掃描電鏡對吸附重金屬銅離子后的保水劑表面進行掃描，表征其吸附重金屬銅離子前后的元素組成和表面結(jié)構(gòu)變化。

銅離子解吸試驗：將9份0.100 g保水劑分別浸泡在 100 mL 的100 mg/L硫酸銅水溶液中，室溫下每隔2 h手搖混勻2 min，48 h后過濾。用等離子體質(zhì)譜儀測定濾液中的銅含量，計算被吸附銅的摩爾數(shù)。然后將過濾出的已吸附銅的保水劑顆粒分別加入到3種解吸液中(乙酸銨、檸檬酸、EDTA-2NH4)，每個處理重復3次。3種解吸液中含有的乙酸銨、檸檬酸、EDTA-2NH4的摩爾數(shù)均事先被調(diào)整到與保水劑所吸附銅的摩爾數(shù)相同，即它們之間的摩爾數(shù)之比為1 ∶1。在160 r/min條件下振蕩0.5 h后過濾，采用離子質(zhì)譜儀對濾液中的銅離子濃度進行測定。

1.2.2 添加保水劑對土壤銅形態(tài)和植物吸銅的影響 采用盆栽試驗方法在日光溫室中進行。試驗采用 129 mm×90 mm×116 mm 帶孔塑料盆，配有防漏托盤。每盆裝風干土壤750 g。試驗分4個處理：處理1為空白對照，既不添加保水劑，也不栽種黑麥草；處理2添加8‰的保水劑但不種植物；處理3不添加保水劑，僅栽種黑麥草；處理4在添加8‰保水劑后種植黑麥草。所有處理均按N含量180 mg/L(尿素)、P2O5含量90 mg/L(過磷酸鈣)、K2O含量120 mg/L(硫酸鉀)施用基肥。種植前將肥料、保水劑和土壤混勻，按照保水劑的吸水量和土壤飽和持水量的60%計算各處理所應澆水總量。栽種黑麥草的處理每盆播種黑麥草種50粒，待全部出苗后，保留20株生長健壯的苗，每組處理重復3次。試驗期間采用稱質(zhì)量法維持各處理土壤水分含量處于飽和持水量的60%。在40、60、80 d時分3次連續(xù)收獲地上部分植株。新鮮植株在 105 ℃ 下殺青0.5 h，75 ℃下烘干24 h至恒質(zhì)量。

第3次收獲后將保水劑從土壤中分離。分離方法原理：吸水后的保水劑膨脹形成大顆粒，由于其所吸收的水分難以揮發(fā)，故在土壤的風干過程中仍可較長時間保持富有彈性不易破碎的大顆粒狀態(tài)，而土壤顆粒失水較快、易分散。因此，可以采用一定孔徑的尼龍篩，將風干過程中分散開來的土壤顆粒與保水劑大顆粒逐步分離。分離出的土壤進一步風干、研磨后過100目尼龍篩，用于測定不同形態(tài)的銅含量。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分測定 有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮含量采用開氏法測定，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用比色法[9]測定，全磷含量采用HClO4-H2SO4消煮、鉬銻抗分光光度法測定，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3法[9]測定，全鉀含量采用NaOH熔融法、火焰光度法[9]測定；速效鉀含量采用1.0 mol/L NH4OAc浸提、火焰光度法[9]測定。

1.3.2 土壤不同形態(tài)銅含量測定 盆栽試驗后的保水劑表面吸附了許多土壤小顆粒，直接水洗會造成淋溶損失而影響實際結(jié)果。因此，本試驗中對保水劑所吸附的銅采用間接計算方法，即僅測定土壤含銅量，通過對土壤總銅含量和各形態(tài)銅含量的測定，推算出被保水劑吸附的銅量。

土壤總銅量的測定采用硝酸、氫氟酸、高氯酸消煮法[9]，等離子體質(zhì)譜儀ICAP-6000 MS(美國Thermo公司)測定。

土壤中不同形態(tài)銅的測定采用BCR法[10-12]。按照該法，土壤銅可分為酸溶態(tài)銅(包括可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài))、可還原態(tài)銅(鐵錳氧化態(tài))、可氧化態(tài)銅(有機結(jié)合態(tài)和硫化物結(jié)合態(tài))和殘渣態(tài)銅等4種形態(tài)。

1.3.3 植株體內(nèi)銅含量 植株體內(nèi)銅含量測定采用干灰化法[9]提取，用等離子體質(zhì)譜儀ICAP-6000 MS(美國Thermo公司)測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行整理，采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(Duncan’s法)，采用OriginPro 8.5軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑對水溶液中銅的吸附容量

圖1顯示，當溶液中銅離子濃度為100 mg/L時，保水劑對其吸附量最大，達77.6 mg/L。隨著銅濃度的進一步提高，保水劑的吸銅量發(fā)生下降，說明保水劑對銅的最大吸附能力不隨溶液中重金屬銅濃度的升高而維持不變。

2.2 保水劑吸附銅離子后的表面結(jié)構(gòu)和元素組成變化

采用S-4800場發(fā)射掃描電鏡對吸附銅離子后保水劑表面所進行的表征和表面元素組成的分析表明，未吸附銅時，保水劑表面光滑平整(圖2-a)，而吸附銅后保水劑表面發(fā)生皺縮，凹凸不平(圖2-b)，說明銅離子吸附在保水劑表面對其結(jié)構(gòu)造成了影響。

表1保水劑表面元素組成分析顯示，未經(jīng)銅吸附處理的保水劑表面僅含碳、氧、鈉，而經(jīng)銅吸附處理后保水劑表面的碳、氧原子百分比均有所減少，鈉基本消失，銅原子百分比從0%變?yōu)?5.0%。該結(jié)果進一步證實，銅離子已被結(jié)合到保水劑的表面。

表1 吸附重金屬銅離子前后的保水劑表面元素組成

2.3 保水劑吸附銅的解吸試驗

從表2可以看出，被保水劑吸附的銅離子在乙酸銨溶液中可重新解吸出來的量最少，僅占總吸附量的0.52%；在檸檬酸中重新解吸出的銅離子量達到總吸附量的36.30%；在EDTA-2NH4溶液中被解吸出的銅離子最多，達到總吸附量的46.85%，即吸附的總銅中有接近一半的銅可以被溶液中的EDTA-2NH4螯合而重新釋放出來。

表2 保水劑吸附的銅離子在不同提取劑中的解吸情況

2.4 保水劑對黑麥草生長和吸收銅的影響

表3顯示，與不添加保水劑相比，添加保水劑處理的黑麥草地上部生物量是不添加保水劑處理的2.1倍。前人研究結(jié)果提示，這是由于添加保水劑一方面改善了植物生長期間的土壤水分供應狀況，另一方面也調(diào)節(jié)了土壤的物理結(jié)構(gòu)，從而有助于土壤養(yǎng)分的釋放和植物對養(yǎng)分的吸收[13-15]。

表3 添加保水劑對黑麥草生長和吸銅的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

由于黑麥草根系生長具有趨水性，大量根系從保水劑顆粒中直接穿過，在收獲黑麥草時無法將大量根系從保水劑中分離出來。因此，本試驗未能對黑麥草根部的銅累積量進行直接測定。但黑麥草地上部銅含量的測定結(jié)果表明，在添加保水劑的土壤上生長的黑麥草，其地上部植株體內(nèi)的銅濃度有所降低。

2.5 添加保水劑對土壤總銅量的影響

圖3顯示，僅添加8‰保水劑而不種植黑麥草的情況下，土壤中的總銅濃度從44.04 mg/kg降至39.29 mg/kg，下降了10.78%。但從表3可知，每盆黑麥草地上部的實際銅累積量僅在0.02 mg以內(nèi)，可見土壤銅減少的絕大部分并沒有轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，而應該是轉(zhuǎn)移到了保水劑中。

對于僅栽種黑麥草的處理，土壤總銅量在黑麥草吸收前后并無明顯變化，這可能是由于植物吸收的銅量很少，不足以造成土壤總銅量的明顯變化。與單獨添加保水劑處理不同，保水劑+黑麥草處理的土壤總銅量也未發(fā)生明顯變化，即并沒有大量的銅離子轉(zhuǎn)變成能被保水劑吸附的形式。

2.6 保水劑對土壤銅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

圖4為采用Ure的不同浸提劑分步提取法[10]對各處理土壤中不同形態(tài)銅的測定結(jié)果，空白土壤中，殘渣態(tài)銅含量最高，達到32.57 mg/kg，占土壤總銅量的74.0%；其次是可氧化態(tài)銅，含量為5.55 mg/kg，占總銅量的12.6%；再次是可還原態(tài)銅，含量為3.54 mg/kg，占總銅量的8.0%；酸溶態(tài)銅含量最低，僅為2.37 mg/kg，占總銅量的5.4%?？梢?種形態(tài)中，殘渣態(tài)銅和可氧化態(tài)銅所占比例較大，可還原態(tài)銅和酸溶態(tài)銅所占比例較小。

與空白相比，僅添加保水劑的處理，土壤酸溶態(tài)銅無明顯變化；可還原態(tài)銅增加1.04 mg/kg，約提高29.4%；可氧化態(tài)銅增加1.11 mg/kg，約提高20.0%，殘渣態(tài)銅減少 6.84 mg/kg，約降低21.0%。添加保水劑總體上促進了殘渣態(tài)銅向可氧化態(tài)銅和可還原態(tài)銅的轉(zhuǎn)化。

與空白相比，僅種植黑麥草的土壤，其酸溶性銅和可還原態(tài)銅分別降低了0.33、1.01 mg/kg，而可氧化態(tài)銅增加了 2.67 mg/kg，殘渣態(tài)銅含量變化不大?？傮w而言，種植黑麥草導致了酸溶性銅的減少，促進了可還原態(tài)銅向可氧化銅的轉(zhuǎn)化。

與空白相比，種植黑麥草并添加保水劑的處理，其酸溶態(tài)銅降低0.33 mg/kg，殘渣態(tài)銅降低1.28 mg/kg，而可還原態(tài)銅和可氧化態(tài)銅分別提高了0.21、2.59 mg/kg，即增加的可氧化態(tài)銅遠高于可還原態(tài)銅。

上述結(jié)果顯示，保水劑能促進殘渣態(tài)銅的降低，同時促進可還原態(tài)銅和可氧化態(tài)銅的增加；栽種黑麥草則會導致酸溶態(tài)銅的減少，對可氧化態(tài)銅增加的促進作用明顯，但減少了殘渣態(tài)銅向其他銅形態(tài)的轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論與討論

保水劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特點使其具有吸附重金屬的能力和儲存重金屬的空間。本研究顯示，在水溶液中，保水劑對銅離子具有較高的去除能力，但達到最大吸附量后，繼續(xù)增加溶液中的銅離子濃度會使其吸附能力下降，這是由于過高的重金屬濃度導致聚丙烯酸分子間的交聯(lián)密度迅速增加，親水基團減少，吸水率下降，內(nèi)部無法膨脹，使重金屬離子難以持續(xù)地進入保水劑內(nèi)部[16-18]。

銅在土壤固液相之間的分配比例決定著土壤中銅的生物有效程度[19]，即保水劑對土壤銅的鈍化效果取決于其吸附銅能力的大小和被吸附銅重新解吸進入溶液的難易。有人推測，作為正二價離子，銅被保水劑吸附的方式主要是通過分子表面斷鏈處的羧基和大量羥基所形成的絡合或螯合作用[17，20]。從本研究結(jié)果看，在乙酸銨溶液中，被吸附的銅很少能重新釋放，在檸檬酸中重新解吸的銅僅為吸附總量的 1/3 左右，即使采用螯合能力很強的EDTA-2NH4溶液，可以被提取出的銅離子也不足吸附總量的1/2，由此證實以上推測是正確的。

Ure等從化學角度將土壤重金屬分為酸溶態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)，其溶解性逐漸降低[10]。由于溶解后的重金屬才能被植物吸收，因此這幾種形態(tài)對植物的有效性依次遞減。從本研究看，短期內(nèi)黑麥草地上部累積的銅量很少，因此未造成土壤總銅量的明顯變化。添加保水劑可使黑麥草體內(nèi)的銅濃度降低，但由于該處理的黑麥草地上部生物量高出添加保水劑處理的1倍以上，因此這種濃度的降低也許僅是一種稀釋效應。

單獨添加保水劑明顯減少了土壤總銅量，其中殘渣態(tài)銅含量約減少21.0%，可還原態(tài)銅和可氧化態(tài)銅含量分別增加29.4%、20.0%，酸溶態(tài)銅含量則無明顯變化。這種趨勢說明，保水劑總體上促進了殘渣態(tài)銅的釋放，其中小部分轉(zhuǎn)化為可氧化態(tài)銅和可還原態(tài)銅，大部分被保水劑所吸附。從保水劑對溶液中的銅吸附容量看，這是完全可能的。然而在種植黑麥草的土壤上，殘渣態(tài)銅含量變化并不大，而酸溶性銅和可還原態(tài)銅含量降低，可氧化態(tài)銅含量增加。對于黑麥草+保水劑的處理，酸溶態(tài)銅和殘渣態(tài)銅含量均降低，而可還原態(tài)銅和可氧化態(tài)銅含量都有所提高，其中可氧化態(tài)銅的增量遠高于可還原態(tài)銅的增量。由于土壤銅總量并未明顯減少，以上結(jié)果意味著黑麥草的存在實際上阻止了釋放出的殘渣態(tài)銅被保水劑所吸附。理論上講，作為禾本科植物的黑麥草會在生長過程中分泌大量鐵載體來絡合難溶性重金屬，從而使其從沉淀狀態(tài)下不斷溶解出來[18，21]，但被鐵載體絡合后的銅是否還可被保水劑所吸附則還不清楚。

本研究所用土壤采自某冶煉廠附近受不同重金屬污染的表層土，其中鎘、鉛濃度已大大超出我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準的三級土壤指標限定范圍[22]。雖然銅的濃度相對較低(44.0 mg/kg)，但也已超出一級土壤限定的臨界值(≤35.0 mg/kg)，因此該土壤屬于不同重金屬的復合污染土壤。作者所在課題組在對保水劑是否影響前2種重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化和植物的吸收研究時發(fā)現(xiàn)，保水劑對不同重金屬的效應是有所區(qū)別的。在溶液中，保水劑對鎘和鉛均表現(xiàn)出較強的吸附能力，但在土壤中，保水劑對鎘的影響主要通過促進鎘由“殘渣態(tài)→可氧化態(tài)→可還原態(tài)→酸溶態(tài)”的轉(zhuǎn)化，并對釋放的鎘加以吸附，從而減少了鎘在植物體內(nèi)的累積[4]；對鉛而言，保水劑主要是促進了土壤中易溶性鉛向難溶性鉛轉(zhuǎn)化，通過使土壤鉛鈍化來減少植物對鉛的吸收[23]。為排除不同土壤在其他條件方面的影響，本研究沒有選擇銅污染更為嚴重的土壤，而是采用同一土壤來探討保水劑對土壤銅的影響機制是否與鎘、鉛有所不同。從本研究結(jié)果看，雖然保水劑在溶液中也表現(xiàn)出對銅離子具有較大的吸附能力，但在有植物生長的條件下，并未起到鈍化土壤銅的作用，也未能明顯減少植物對銅的吸收。由此可見，保水劑用于治理土壤中不同重金屬污染時，其效果是不一樣的。至少對南方偏酸性土壤的銅污染而言，采用保水劑進行治理并不理想。

保水劑在溶液中對銅離子具有較大的吸附能力，在銅濃度為100 mg/L時達最大吸附量77.6 mg/g，繼續(xù)增加銅濃度可導致吸附量迅速下降。保水劑吸附銅的主要方式不是靠電荷吸引，而是通過其分子表面的羧基和羥基對銅離子進行絡合或螯合，因此對銅的束縛力較大。保水劑能促進土壤殘渣態(tài)銅的釋放，并對所釋放銅中的絕大部分加以吸附，但有黑麥草生長時，保水劑對銅的吸附過程受阻，其原因有待探討。有黑麥草生長的情況下，添加保水劑并不能明顯減少短期內(nèi)黑麥草對土壤銅的吸收；從對銅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響看，也不能起到明顯的鈍化土壤銅的作用。