李衛(wèi) 李昕 張洪榮 陳春壇 李福德
摘 要 為探究生物納米材料修復(fù)稻田二價(jià)鎘污染種植水稻的效果設(shè)計(jì)試驗(yàn)。試驗(yàn)中稻田二價(jià)鎘(Cd2+)含量為0.5~1.0 mg·kg-1,經(jīng)過(guò)加入一定比例的生物納米材料,并調(diào)節(jié)土壤pH值為中性,種植稻苗,施肥、澆水,收割稻粒,檢測(cè)稻??傛k含量驗(yàn)證修復(fù)效果。結(jié)果表明,該生物納米材料能將稻田中的Cd2+鈍化固化,不被稻粒吸收。試驗(yàn)種植產(chǎn)出的水稻中鎘的含量滿足2017年國(guó)家計(jì)生委和食品藥品監(jiān)督管理總局修訂的國(guó)標(biāo)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中表2鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg·kg-1稻米,本技術(shù)具有實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 生物納米材料;鎘污染稻田;生物修復(fù)
中圖分類號(hào):X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.32.093
土壤是人類賴以生存的自然資源,但當(dāng)今城市和工業(yè)的快速發(fā)展,造成了土壤污染加劇,其中,土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。我國(guó)農(nóng)業(yè)部門調(diào)查表明,全國(guó)受重金屬污染土地達(dá)2 500萬(wàn)公頃,許多地方的糧食、蔬菜和水果中的鎘等重金屬含量接近臨近值。糧食中鎘含量超標(biāo),會(huì)誘發(fā)“骨痛病”,危害身體健康。
近年來(lái),相關(guān)學(xué)者對(duì)受重金屬污染土壤的修復(fù)進(jìn)行了大量研究,相關(guān)的修復(fù)方法有化學(xué)淋洗[1-2]、植物修復(fù)、電動(dòng)修復(fù)[3]、鐵基修復(fù)[4]、有機(jī)或無(wú)機(jī)材料改性修復(fù)[5-6]、生物修復(fù)[7-9]等方法。李福德等[10]編著了《微生物去除重金屬和砷—復(fù)合硫酸鹽還原菌法的機(jī)理與技術(shù)》;李昕等[11]公布了《鈍化固化修復(fù)土壤六價(jià)鉻污染的生物納米材料的制備方法》(中國(guó)發(fā)明專利公開號(hào)201810934854.5);張洪榮等[12]探究了生物納米材料對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)效果;陳春壇等[13]研究了《生物納米材料對(duì)鎘污染土壤種植小白菜的修復(fù)研究》。本次研究利用硫酸鹽還原菌在一定條件下產(chǎn)生的生物納米材料[10?11]與含鎘稻田的水和土壤中鎘發(fā)生作用,將鎘鈍化固化,不被水稻吸收,達(dá)到修復(fù)含鎘稻田水和土壤的目的。本方法操作管理方便,投資運(yùn)行費(fèi)低,有應(yīng)用價(jià)值。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 生物納米材料
生物納米材料由成都科泰技術(shù)有限公司利用硫酸鹽還原菌制取并提供。該生物納米材料為脫硫弧菌(Desulfovibrio sp.)、脫硫腸狀菌(Desulfotomaculum sp.)和脫硫桿菌(Desulfobacter sp.)等微生物反應(yīng)合成長(zhǎng)為45~80 nm,長(zhǎng)寬比為(15~20):1,放大40萬(wàn)倍時(shí)為晶格條紋和晶格顆粒的納米材料[10-11]。
1.1.2 試驗(yàn)土壤
試驗(yàn)土壤取自四川省成都市雙流區(qū)大林鎮(zhèn)水稻田。該土壤理化性質(zhì)按土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法測(cè)定,pH為7.97,有機(jī)質(zhì)含量22.0 g·kg-1,全氮含量1.65 g·kg-1,有效磷含量24.5 mg·kg-1,總鎘含量小于0.1 mg·kg-1。
1.1.3水稻品種
試驗(yàn)水稻品種購(gòu)自成都市農(nóng)業(yè)種子公司。
1.2 試驗(yàn)儀器與試劑
1.2.1 主要試劑
試驗(yàn)主要試劑為氯化鎘,購(gòu)于成都市鑫科化工有限公司。0.5 mg·mL-1 Cd2+試劑配制方法為稱取該CdCl2·2.5H2O 0.1016 g,溶于100 mL水中,共100 mL試劑待用。
1.2.2 主要儀器
電熱恒溫培養(yǎng)箱(北京中興實(shí)驗(yàn)儀器有限公司,型號(hào)HH·BII·420)、離心機(jī)(江蘇圣力離心機(jī)制造有限公司,型號(hào)800型)、電磁恒溫?cái)嚢杵鳎◤V州市深華生物技術(shù)有限公司,型號(hào)為弗魯克FCH202-S)、紫外分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司,型號(hào)T22)、氫火焰原子吸收光譜儀(上??苾x公司,型號(hào)為361MC)、電感耦合等離子質(zhì)譜儀(北京吉天儀器有限公司,型號(hào)Agilent7500/7700系列ICP-MS)。此外,還需試驗(yàn)種植分體水箱,規(guī)格為52 cm×38 cm×32.4 cm;集水箱,規(guī)格為180 cm×45 cm×36 cm。
1.2.3 檢測(cè)方法
pH用NY/T 1121.2-2006法測(cè)定;總鎘用GB 5009.15-2014法測(cè)定;銅、鎘、鉻、鎳用《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定》GB 5009.268-2016法測(cè)定。
1.3 試驗(yàn)方法
1.3.1 稻田水鎘污染處理試驗(yàn)
采用五點(diǎn)取樣法取稻田水25 L,分取18個(gè)1.0 L水樣,分為3組,每組6個(gè)水樣。第一組稻田水樣編號(hào)為P-1、P-2、P-3、P-4、P-5、P-6,改變pH探究pH變化對(duì)Cd2+去除的影響;第二組編號(hào)為C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、C-6,通過(guò)改變Cd2+濃度探究Cd2+濃度變化對(duì)Cd2+去除的影響;第三組編號(hào)為B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6,通過(guò)改變生物納米材料(BN)量探究生物納米材料增減對(duì)Cd2+去除的影響。反應(yīng)1 h,BN將Cd2固化,Cd2+不溶于水中,過(guò)濾,測(cè)濾液中Cd2+含量。試驗(yàn)結(jié)果見表1、2、3和圖1、2、3。
1.3.2 稻田土壤鎘污染的處理試驗(yàn)
參考1.3.1部分稻田水鎘污染的處理試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)稻田土壤鎘污染的處理試驗(yàn)。將取回的pH 6.8的稻田土壤風(fēng)干,共計(jì)約160 kg,分置于8個(gè)種植箱中,每個(gè)種植箱裝20 kg原稻田土壤,用Na2CO3調(diào)pH為7.0,分組編號(hào)WR-1、WR-2、WR-3、WR-4、WR-5、WR-6、WR-7、WR-8。WR-1、WR-2、WR-3分別加入Cd2+ 10.0 mg、15.0 mg、20.0 mg,每個(gè)樣加入生物納米材料(BN)15 L;WR-4、WR-5、WR-6、WR-7、WR-8分別加入生物納米材料(BN)10.0 L、15.0 L、20.0 L、15.0 L、0.0 L,每個(gè)樣加入Cd2+ 10.0 mg,再加自來(lái)水?dāng)噭?,反?yīng)24 h后,種植水稻苗,定期補(bǔ)水和施肥。每2~4周取上清液檢測(cè)pH和Cd2+含量,根據(jù)跟蹤檢測(cè)結(jié)果,補(bǔ)加生物納米材料和肥料。在WR-1~WR-8稻箱種植的水稻成熟后,取其水稻稻粒檢測(cè)其Cd2+濃度。
2 結(jié)果與分析
2.1 稻田水Cd2+污染的處理試驗(yàn)
稻田水鎘污染的處理試驗(yàn)結(jié)果見表1、2、3和圖1、2、3。從表1、圖1可見,稻田水Cd2+含量為5 mg時(shí),投加1.0 mL的生物納米材料,在pH 6.5~8.5范圍內(nèi)反應(yīng)1 h、過(guò)濾,可去除99.4%~99.9% Cd2+。
從表2、圖2可以看出,Cd2+污染稻田水,在pH 7.0,Cd2+含量6.5 mg以下時(shí),投加1.0 mL生物納米材料反應(yīng)、過(guò)濾,可去除98.4%以上Cd2+。
從表3、圖3可見,在1.0 L鎘污染的稻田水中,在Cd2+為5.0 mg,pH 7.0,投加1.0 mL生物納米材料,可去除99.9%以上的Cd2+。
2.2 稻田土壤鎘污染生物納米材料修復(fù)種植水稻的試驗(yàn)
生物納米材料修復(fù)稻田鎘污染土壤種植水稻的試驗(yàn)結(jié)果見表4、5。從表4可見,在干土壤20.0 kg,pH 7.0,Cd2+含量為0.5 mg·kg-1土壤中,投入生物納米材料(BN)15.0 L,Cd2+的固化率達(dá)99.3%,稻粒中總鎘含量0.035 8 mg·kg-1,小于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中水稻鎘限量0.2 mg·kg-1。
從表5可見,在稻箱土壤20.0 kg,pH 7.0,Cd2+含量0.5 mg·kg-1土壤,加入生物納米材料15.0 L,Cd2+的固化率達(dá)99.61%,稻粒中總鎘含量0.039 5 mg·kg-1,達(dá)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中水稻鎘限量0.2 mg·kg-1以下。從加BN(WR-7)與不加BN(WR-8)兩者的對(duì)照比較可見,加生物納米材料對(duì)Cd2+的固化率達(dá)99.64%,不加生物納米材料的土壤對(duì)Cd2+的固化率僅為1.86%。
3 結(jié)論
1)本研究的生物納米材料對(duì)Cd2+污染稻田濃度低于0.5 mg·kg-1土壤修復(fù)效果非常明顯,可將稻田中的Cd2+鈍化固化,使其不被稻粒吸收,使稻粒中總鎘含量達(dá)標(biāo)。2)被Cd2+污染的稻田,自然降低Cd2+進(jìn)入稻粒的能力很小,僅為1.86%。3)本研究結(jié)果是Cd2+污染的稻田修復(fù)的有競(jìng)爭(zhēng)力的一條途徑,該技術(shù)具有實(shí)用價(jià)值。
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(責(zé)任編輯:趙中正)