廢棄尿不濕中聚合物對鎘污染土壤的修復(fù)研究

曲貴偉

(遼東學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 丹東 118003)

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【生物科學(xué)與環(huán)境工程】

廢棄尿不濕中聚合物對鎘污染土壤的修復(fù)研究

曲貴偉

(遼東學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 丹東 118003)

采用盆栽試驗(yàn)研究了廢棄尿不濕中聚合物(UDP)對鎘(Cd)污染土壤和高粱生長的改善作用。結(jié)果表明UDP的應(yīng)用使高粱植株生物量提高了6.5倍，而地上部Cd的含量僅為對照處理的34.5%，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)的活性明顯降低，處理間差異顯著。UDP處理的土壤CaCl2交換Cd的含量明顯降低了46.2%～50.0%和37.3%～42.6%；此外UDP結(jié)合高粱生長還明顯增強(qiáng)了土壤中β-葡萄糖苷酶、磷酸酶、脲酶、纖維素酶和蛋白酶的活性。此外UDP處理的高粱Cd的提取量遠(yuǎn)高于植物修復(fù)的基本要求(10 mg/kg)，提取總量超過了土壤CaCl2交換Cd的6%。綜上所述采用UDP并結(jié)合高粱可以作為改善植株生長和Cd污染土壤的一種有效方法。

廢棄尿不濕中聚合物; 高粱生長; 鎘污染土壤

土壤的重金屬污染已經(jīng)成為全球廣泛關(guān)注的環(huán)境問題。鎘(Cd)毒性大且在土壤中活性強(qiáng)，容易被各種生物吸收而進(jìn)入食物鏈從而嚴(yán)重威脅人類健康。土壤中的Cd的主要來源于大氣沉降、含Cd磷肥的應(yīng)用、城市垃圾和污泥的應(yīng)用以及工業(yè)三廢等[1-3]。一般認(rèn)為，Cd的含量為2 mg/kg土壤(干質(zhì)量)是耕作土壤Cd污染的臨界指標(biāo)，超過這個指標(biāo)就會對人和動物的健康產(chǎn)生威脅。而土壤微生物及酶對Cd的反應(yīng)更加敏感，在土壤中的Cd含量超過0.08 mg/kg(干質(zhì)量)時就會受到嚴(yán)重?fù)p害[4]。

在污染土壤上種植適當(dāng)植物不僅可以減少土壤侵蝕造成的重金屬遷移, 而且可以通過植物吸收有助于降低土壤重金屬含量，研究表明使用甜玉米和高粱可以促進(jìn)對污染土壤中Cd的吸收[5-6]。目前高粱植株對Cd毒性的生化反應(yīng)方面的研究還很少。一般認(rèn)為，重金屬的毒害作用可引起植株體內(nèi)活性氧產(chǎn)物的增加，當(dāng)活性氧如超氧化物(O2·-)、過氧化氫(H2O2)、氫氧基(HO·)和純氧(1O2)在活細(xì)胞中達(dá)到一定濃度后就會產(chǎn)生毒害作用[7]。植株可通過激活一些酶如超氧化物歧化酶(SOD)用以消除超氧化物；過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)來消除過氧化氫的危害。這三種酶活性在細(xì)胞內(nèi)的相互平衡在決定超氧化物和過氧化氫恒穩(wěn)狀態(tài)方面至關(guān)重要[8]。高粱是世界第五大谷類作物，既是一種主要的食物原材料和飼料同時也是一種耐旱和耐熱的植物[9]，特別是高粱可以作為生物能源作物用以生產(chǎn)生物酒精[10]，這是其應(yīng)用在重金屬污染土壤修復(fù)上的一個明顯優(yōu)勢。

當(dāng)土壤重金屬污染嚴(yán)重時，使用適當(dāng)修復(fù)劑可以降低土壤中重金屬的有效性并促進(jìn)植被重建。例如使用聚丙烯酸鹽高吸水性物質(zhì)修復(fù)重金屬污染土壤不僅可以降低土壤中尤其是根系周圍土壤中有效重金屬的含量，還可以為植株提供充足的水分，在長期重金屬污染土壤的修復(fù)發(fā)揮了積極的作用[11-12]。但是工業(yè)品聚丙烯酸鹽的價格都比較高(每公斤約25～30元人民幣)，限制了其在大面積重金屬污染土壤上的使用。之前的研究表明一次性尿不濕中的聚合物在吸收水分和吸附重金屬上與聚丙烯酸鹽相似，在鉛、砷污染的礦區(qū)土壤修復(fù)研究中顯示尿不濕中聚合物可以有效降低礦區(qū)土壤中活性重金屬鉛和砷的含量，促進(jìn)植株生長和提高植被覆蓋速度[13]，然而在該修復(fù)試驗(yàn)中，礦區(qū)土壤的有效重金屬的含量較低，而且尿不濕是未經(jīng)使用的，而研究表明一次性尿不濕中聚合物在吸附尿液后對溶液中重金屬離子的吸附性能上與未吸附的尿不濕存在明顯差異[14]。目前還沒有關(guān)于廢棄尿不濕中聚合物(UDP)對重金屬有效性較強(qiáng)的污染土壤如Cd污染土壤的修復(fù)效果方面的研究。近10年來我國一次性嬰兒尿不濕的總銷售量約在220億元，且保持20%～25%的年增長[16]，因此廢棄的嬰兒尿不濕在城市垃圾中所占的比例勢必會逐漸增加。廢棄尿不濕的回收利用將會為降低土壤修復(fù)成本和減少因廢棄尿不濕所帶來的新的環(huán)境污染提供新的解決途徑。

文章研究的主要目的：① 研究UDP對長期Cd污染土壤上高粱生長(植株生物量)和健康方面(植株地上部中Cd的含量和過氧化物酶活性)的改善作用；② 研究UDP對土壤Cd的有效Cd含量和土壤脫氫酶及與C、N、P養(yǎng)分循環(huán)有關(guān)的水解酶活性等土壤質(zhì)量因子的影響。通過以上研究，探討廢UDP在Cd污染土壤上的應(yīng)用可行性，明確其對高粱健康和污染土壤性質(zhì)的促進(jìn)作用，為廢棄尿不濕回收利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

尿不濕選用歐洲品牌DODOT，主要由外層塑料防腐層、纖維素紙漿和每片10 g左右的高吸水性聚合物，將15片尿不濕浸泡在4 L人工尿液中(組成見表1)，48小時后取出使用去離子水充分淋洗后，在風(fēng)干后取出高吸水性聚合物并研磨粉碎后，取0.1 g UDP 經(jīng)過3 mol/L的HCl消煮3次(每次10 mL)，消煮液用于測定聚合物上吸附人工尿液后的離子種類和數(shù)量(見表2)。

表1 人工合成尿液的基本成分

注：以上所有成分用0.02 mol·L-1HCl配制成1L溶液。

表2 UDP上吸附離子的種類和數(shù)量

供試土壤采自葡萄牙Peg?es地區(qū)，(北緯38°24′，西經(jīng)8°35′)，有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分貧乏，屬長期Cd污染土壤(性質(zhì)見表3)。將10 kg過5 mm土篩混合均勻或未混合0.3%UDP的風(fēng)干土樣裝填入栽培缽(直徑20 cm, 高35 cm)，使用UDP的處理每公斤土樣僅使用125 mg P(過磷酸鈣)作為底肥，而沒有UDP處理的土壤則額外補(bǔ)充16.5 mg N (硝酸銨)、24.6 mg K (氯化鉀)以保證與UDP處理在養(yǎng)分水平上的一致。試驗(yàn)共設(shè)置4個處理4次重復(fù)，包括 CK(對照，無高粱生長也沒有UDP)、UDP(僅用UDP)、PL(僅有高粱生長)和PL+UDP(高粱生長+UDP)。填裝完畢后使用去離子水灌溉至土壤水分飽和后封蓋保存1周。高粱 (Sorghumbicolor(L.) Moench) 于2014年5月4號播種，出苗2周后間苗至8棵。所有栽培缽放置在網(wǎng)室內(nèi)，降雨時移至相鄰的控溫溫室中。栽培缽2-3天稱重一次并適時灌溉，以保證土壤水分始終保持在土壤持水量的70%。播種2月后收獲植株地上部，稱重后用去離子水沖洗，一部分樣本稱重后迅速保存在-75 ℃的冰箱中用以酶活性分析，其它的稱重后在65 ℃下烘干并稱重。同時，提取土壤樣本，分別用于土壤有效Cd含量的測定和土壤酶活性的分析。

表3 供試土壤基本性質(zhì)

1.2 植株樣本的分析

烘干后的植株樣本經(jīng)過微波消煮(CEMMDS-2000)后，采用原子吸收儀測定消煮液中Cd的含量。冷凍的植株樣本使用1 mL 100 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)緩沖緩沖溶液(含3 mmol/L DTT(二巰基蘇糖醇)、1 mmol/L EDTA和2%(w/w)的PVP(聚乙烯吡咯烷酮))迅速搗碎研磨(用于抗壞血酸過氧化物酶測定的粗植株提取液還含有10 mM抗壞血酸)，混合提取液經(jīng)離心后，將上層清液過濾(0.20 μmL)采用Aebi[17]所述方法測定過氧化氫酶活性(EC 1.11.1.6)，Ali等[18]所述方法測定抗壞血酸過氧化物酶活性(EC 1.11.1.1)，Rubio等[19]所述方法測定超氧化物歧化酶活性。

1.3 土壤樣本分析

所有土壤樣本經(jīng)過2 mm篩，新鮮土壤用于脫氫酶(DHA)的測定。土壤有效Cd采用50 mL的0.01 mol·L-1CaCl2振蕩浸提2 h,過濾后使用原子吸收儀測定。其他的土壤樣本冷凍保存用于其他土壤酶活性的測定，并采用曲貴偉等[13]所用方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Statistica 8.0軟件進(jìn)行通用線性模式分析，用Newman-Keuls法在P<0.05水平下檢驗(yàn)平均值之間的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 UDP對Cd污染土壤上高粱生長的影響

表4結(jié)果表明， UDP處理極大地促進(jìn)了高粱生長，其植株生物量比沒有處理的(PL)提高了約6.5倍，PL處理的高粱生長則受到了嚴(yán)重抑制，同時UDP處理高粱地上部Cd的含量為39.5 g/pot, 僅為PL處理的34.5%，兩處理之間差異顯著。高粱生長的明顯改善，使該處理每栽培缽高粱吸收Cd的總量也比沒有處理的明顯增加了約1.5倍。

表4 高粱生物量、植株地上部Cd含量和每缽總吸Cd量

注：豎排數(shù)值后字母不同的代表在Newman Keuls

p<0.05下差異顯著。

從圖1可以看出，UDP處理顯著降低了高粱地上部植株中抗氧化酶CAT、SOD 和APX的活性，是沒有UDP的處理的16.9%、22.2%和13.1%，差異明顯。

2.2 UDP對污染土壤的影響

圖2顯示，無論有無高粱生長，UDP處理的土壤有效Cd(0.01 mol·L-1CaCl2交換Cd)的含量均顯著下降，比沒有處理的土壤分別下降了46.2%～50.0%和37.3%～42.6%。盡管高粱生長在一定程度上降低了的土壤有效Cd的含量，但與沒有高粱的相比差異并不顯著。UDP處理雖然在一定程度上改善了土壤脫氫酶的活性，但與其他處理相比差異并不明顯(見圖2)。然而土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、脲酶、纖維素酶和蛋白酶等水解酶的活性則顯著增強(qiáng)，其中沒有高粱的UDP處理比沒有UDP的處理分別提高了23.8%～87.6%、20.2%～24.9%、107.7%～285.7%、94.8%～130.6%和88.9-183.3%；而高粱的生長則進(jìn)一步改善了UDP處理土壤水解酶的活性，分別比其他處理提高了54.9%～134.7%、40.7%～46.2%、65.4%～514.3% 、213.8%～271.4%和200.0%～350.0%，差異顯著(圖2)；與CK相比，雖然PL處理中高粱生長在一定程度上提高了土壤水解酶的活性，但除了β-葡萄糖苷酶活性增加顯著外，而其他的酶活性變化均不明顯。

表5顯示，試驗(yàn)中測試的幾種水解酶活性的變化與土壤中0.01 mol/L CaCl2交換Cd的含量均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。

表5 土壤中0.01 mol/L CaCL2交換

注：數(shù)值后的*表示該相關(guān)系數(shù)在P<0.05下檢驗(yàn)顯著。

3 討論

3.1 UDP對土壤有效Cd的含量及高粱生長的影響

試驗(yàn)土壤中0.01 moL·L-1CaCl2交換Cd的含量約占土壤全Cd的一半(見表2)，屬于重度污染，一般情況下不適合種植食用作物，類似這種土壤應(yīng)該被閑置或修復(fù)后再利用，也可以用于種植能夠生產(chǎn)生物能源的作物如高粱。研究表明高粱屬植株可以在50 mg·kg-1Cd的土壤中生長，對Cd的富集能力也遠(yuǎn)超過對Pb的富集[20-21]。試驗(yàn)結(jié)果也表明在這種重度Cd污染的土壤上沒有使用UDP處理的高粱生長雖然受到明顯的抑制, 但仍然能夠獲得一定的生物量(見表4)，說明高粱對于Cd污染具有一定的耐受能力。UDP的應(yīng)用極大地改善了高粱生長(見表4)，這與UDP對土壤中Cd的較強(qiáng)的吸附作用有關(guān)，之前的研究發(fā)現(xiàn)雖然廢棄尿不濕中聚合物比未經(jīng)使用的吸附Cd2+含量的明顯下降，但仍具備較強(qiáng)吸附能力[14]，因此UDP的應(yīng)用可顯著降低污染土壤中有效Cd(0.01 mol·L-1CaCl2交換Cd)的含量(見圖2)，極大緩解了Cd2+對高粱生長的抑制作用，也促使植株中Cd2+的含量也顯著下降(見表4)。然而UDP處理上高粱生物量的明顯提高對于降低進(jìn)土壤中Cd的含量起到一定的促進(jìn)作用，在僅僅兩個月的時間里，每缽植株總吸收Cd的數(shù)量約為該處理土壤中0.01moL/L CaCl2交換Cd總量的6.5%(見表3)，同時高粱吸收Cd的數(shù)量39.5 mg·kg-1也遠(yuǎn)超過植物修復(fù)的基本要求(10 mg·kg-1)(見表4)，盡管其對Cd含量的降低沒有達(dá)到顯著的水平，這與土壤中有效Cd基數(shù)太高或者試驗(yàn)時間較短有關(guān)。

SOD是植物體內(nèi)清除活性氧的第一個發(fā)揮作用的抗氧化酶，將超氧物陰離子自由基-O2快速歧化為H2O2和分子氧，而CAT和 APX則均與細(xì)胞內(nèi)H2O2的移出有關(guān)。研究表明在Cd脅迫下，小麥、玉米和空心菜等植株體內(nèi)的SOD、CAT和APX的活性將明顯增強(qiáng)以應(yīng)對植株體內(nèi)活性氧產(chǎn)物的積累[22-24]。然而在試驗(yàn)中由于UDP的應(yīng)用使植株中的Cd含量顯著下降(表4)，大大緩解了Cd的毒害作用，使植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)物或過氧化物含量下降，從而造成抗氧化物酶活性明顯低于沒有UDP處理的植株(見圖1)。

3.2 UDP對土壤酶活性的影響

一般情況下，重金屬污染會導(dǎo)致大多數(shù)土壤酶的活性下降，尤其在嚴(yán)重污染的土壤中，因此土壤酶活性通常用作土壤重金屬污染修復(fù)效果的評價指標(biāo)[25]。在試驗(yàn)中，UDP處理明顯增強(qiáng)了土壤中除脫氫酶外其他水解酶的活性，這主要?dú)w因于UDP的應(yīng)用造成的土壤中有效Cd含量的顯著下降(見圖2)，減輕了Cd對土壤水解酶的抑制作用，從而使其活性得到明顯增強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果也表明土壤中各種水解酶與交換Cd含量均呈顯著負(fù)相關(guān)(見表5)。此外高粱生長的顯著提高必然促進(jìn)根系分泌物的增加，可為土壤酶提供更多底物，進(jìn)一步的刺激了土壤水解酶的活動，從而使UDP+PL處理的土壤水解酶活性得到更明顯的改善。這些結(jié)果與之前在長期重金屬污染的礦區(qū)土壤上的研究基本一致[13]。然而在沒有UDP的處理中，植株生長對于大多數(shù)土壤酶的活性改善并不顯著(β-葡萄糖苷酶活性除外)，這可能是因?yàn)橥寥乐羞^高的有效Cd含量以及較低的植株生物量使Cd對酶活性的抑制作用遠(yuǎn)超過了因植株生長所帶來的促進(jìn)作用，而β-葡萄糖苷酶活性不同于其他酶活性的變化似乎說明其對因植株生長所帶來的土壤有效Cd的細(xì)微下降更敏感，而這種結(jié)果有待于進(jìn)一步研究明確。

土壤脫氫酶活性主要反映土壤微生物新陳代謝的整體活性。在研究中脫氫酶對廢棄尿不濕處理反應(yīng)不明顯，而之前的研究卻表明對鉛砷污染的礦山土壤長達(dá)9個月的修復(fù)中尿不濕SAP顯著改善了土壤脫氫酶的活性[13]，這中差異可能是由于土壤中重金屬有效性的差異即長期重金屬污染土壤中重金屬有效性較低，而本研究中土壤有效性Cd的含量則較高，因此對脫氫酶的影響也不同?；蛘咭?yàn)閺U棄尿不濕作用于污染土壤的時間較短，可能使其對土壤脫氫酶活性的改善還沒有達(dá)到顯著水平，研究表明在使用0.4%高吸水性物質(zhì)聚丙烯酸鹽修復(fù)長期重金屬污染土壤上在4個月時間內(nèi)也無法促進(jìn)脫氫酶活性的顯著提高[11]，而聚丙烯酸鹽和尿不濕中高吸水性物質(zhì)在吸附重金屬離子和保水性能上基本相似[13]。同時土壤微生物種群的變化會使其對Cd污染產(chǎn)生了一定的抗逆性或者該土壤中的微生物對高Cd脅迫有較強(qiáng)的適應(yīng)性[26]。此外有研究表明禾本科作物如玉米的生長對Cd和Pb污染的土壤中脫氫酶的改善并不顯著[27]，因此土壤脫氫酶對于高粱生長的反應(yīng)不敏感也可能是原因之一。以上結(jié)果表明土壤脫氫酶似乎不適合用于評價廢棄尿不濕和高粱生長在短時期內(nèi)對Cd污染土壤的影響。

4 結(jié)論

廢棄尿不濕中聚合物(UDP)明顯降低了土壤中CaCl2交換Cd的含量，使高粱地上部Cd的含量顯著下降，減輕了Cd2+對高粱植株的毒害作用，導(dǎo)致過氧化物酶CAT、APX和SOD的活性下降，高粱的生長得到了極大的改善。同時土壤有效Cd含量的下降結(jié)合高梁生長明顯增強(qiáng)了土壤中與C、N、P養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的酶(葡萄糖苷酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶、酸性磷酸酶等)的活性，進(jìn)而改善了Cd污染土壤性質(zhì)。此外高粱在兩個月的生長時間里Cd的總提取量超過了該處理土壤有效Cd總量的6%，對于降低污染土壤的有效Cd庫有積極的促進(jìn)作用。綜上所述我們認(rèn)為廢棄尿不濕中聚合物和高粱在修復(fù)重金屬污染土壤修復(fù)方面必將有很好的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：龍海波)

Remediation effect of polymer in used baby diaper on Cd-contaminated soil

QU Gui-wei

(SchoolofUrbanConstruction,EasternLiaoningUniversity,Dandong118003,China)

A pot experiment was conducted to investigate the effect of polymer in used baby diaper on Cd-contaminated soil and sorghum growth. The results of the contrast experiment showed that the plant biomass of sorghum was increased by 6.5 times. The Cd content in superficial soil was 65.5% less than that of the untreated soil. The activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and ascorbate peroxidase (APX) in sorghum were significantly decreased. The concentrations of soil CaCl2extractable Cd were remarkably reduced by 46.2%-50.0% and 37.3%-42.6%. The polymer together with the sorghum growth remarkably enhanced the activities of glucosidase, phosphatase, urease, cellulose and protease. Besides, the extraction amount of Cd of the sorghum was 39.5 mg/kg, too more than the threshold of phytoremediation (10 mg/kg) and 6% of the Cd in the soil was extracted.

polymer in used diaper; sorghum growth; Cd-contaminated soil

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.01.05

2016-11-02

第46批教育部出國留學(xué)人員啟動基金；遼東學(xué)院博士啟動基金(165)

曲貴偉(1970—)， 男，遼寧瓦房店人，博士，研究方向:重金屬污染土壤修復(fù)。

X53

A

1673-4939(2017)01-0021-07