生物納米材料修復鎘污染的稻田土壤種植水稻的試驗研究

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稻田二價鎘污染種植水稻的效果設計試驗。試驗中稻田二價鎘（Cd2+）含量為0.5～1.0 mg·kg-1，經過加入一定比例的生物納米材料，并調節(jié)土壤pH值為中性，種植稻苗，施肥、澆水，收割稻粒，檢測稻?？傛k含量驗證修復效果。結果表明，該生物納米材料能將稻田中的Cd2+鈍化固化，不被稻粒吸收。試驗種植產出的水稻中鎘的含量滿足2017年國家計生委和食品藥品監(jiān)督管理總局修訂的國標《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中表2鎘的限量標準0.2 mg·kg-1稻米，本技術具有實用價值。

關鍵詞 生物納米材料;鎘污染稻田;生物修復

中圖分類號：X53 文獻標志碼：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重。我國農業(yè)部門調查表明，全國受重金屬污染土地達2 500萬公頃，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，會誘發(fā)“骨痛病”，危害身體健康。

近年來，相關學者對受重金屬污染土壤的修復進行了大量研究，相關的修復方法有化學淋洗[1-2]、植物修復、電動修復[3]、鐵基修復[4]、有機或無機材料改性修復[5-6]、生物修復[7-9]等方法。李福德等[10]編著了《微生物去除重金屬和砷—復合硫酸鹽還原菌法的機理與技術》;李昕等[11]公布了《鈍化固化修復土壤六價鉻污染的生物納米材料的制備方法》（中國發(fā)明專利公開號201810934854.5）;張洪榮等[12]探究了生物納米材料對鉻污染土壤的修復效果;陳春壇等[13]研究了《生物納米材料對鎘污染土壤種植小白菜的修復研究》。本次研究利用硫酸鹽還原菌在一定條件下產生的生物納米材料[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，達到修復含鎘稻田水和土壤的目的。本方法操作管理方便，投資運行費低，有應用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 生物納米材料

生物納米材料由成都科泰技術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.）等微生物反應合成長為45～80 nm，長寬比為（15～20）：1，放大40萬倍時為晶格條紋和晶格顆粒的納米材料[10-11]。

1.1.2 試驗土壤

試驗土壤取自四川省成都市雙流區(qū)大林鎮(zhèn)水稻田。該土壤理化性質按土壤農化常規(guī)分析方法測定，pH為7.97，有機質含量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

試驗水稻品種購自成都市農業(yè)種子公司。

1.2 試驗儀器與試劑

1.2.1 主要試劑

試驗主要試劑為氯化鎘，購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（北京中興實驗儀器有限公司，型號HH·BII·420）、離心機（江蘇圣力離心機制造有限公司，型號800型）、電磁恒溫攪拌器（廣州市深華生物技術有限公司，型號為弗魯克FCH202-S）、紫外分光光度計（上海美譜達儀器有限公司，型號T22）、氫火焰原子吸收光譜儀（上?？苾x公司，型號為361MC）、電感耦合等離子質譜儀（北京吉天儀器有限公司，型號Agilent7500/7700系列ICP-MS）。此外，還需試驗種植分體水箱，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 檢測方法

pH用NY/T 1121.2-2006法測定;總鎘用GB 5009.15-2014法測定;銅、鎘、鉻、鎳用《食品安全國家標準食品中多元素的測定》GB 5009.268-2016法測定。

1.3 試驗方法

1.3.1 稻田水鎘污染處理試驗

采用五點取樣法取稻田水25 L，分取18個1.0 L水樣，分為3組，每組6個水樣。第一組稻田水樣編號為P-1、P-2、P-3、P-4、P-5、P-6，改變pH探究pH變化對Cd2+去除的影響;第二組編號為C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、C-6，通過改變Cd2+濃度探究Cd2+濃度變化對Cd2+去除的影響;第三組編號為B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6，通過改變生物納米材料（BN）量探究生物納米材料增減對Cd2+去除的影響。反應1 h，BN將Cd2固化，Cd2+不溶于水中，過濾，測濾液中Cd2+含量。試驗結果見表1、2、3和圖1、2、3。

1.3.2 稻田土壤鎘污染的處理試驗

參考1.3.1部分稻田水鎘污染的處理試驗結果，設計稻田土壤鎘污染的處理試驗。將取回的pH 6.8的稻田土壤風干，共計約160 kg，分置于8個種植箱中，每個種植箱裝20 kg原稻田土壤，用Na2CO3調pH為7.0，分組編號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，每個樣加入Cd2+ 10.0 mg，再加自來水攪勻，反應24 h后，種植水稻苗，定期補水和施肥。每2～4周取上清液檢測pH和Cd2+含量，根據跟蹤檢測結果，補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，取其水稻稻粒檢測其Cd2+濃度。

2 結果與分析

2.1 稻田水Cd2+污染的處理試驗

稻田水鎘污染的處理試驗結果見表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，投加1.0 mL的生物納米材料，在pH 6.5～8.5范圍內反應1 h、過濾，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，投加1.0 mL生物納米材料反應、過濾，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種植水稻的試驗

生物納米材料修復稻田鎘污染土壤種植水稻的試驗結果見表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99.3%，稻粒中總鎘含量0.035 8 mg·kg-1，小于《食品安全國家標準食品中污染物限量》（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99.61%，稻粒中總鎘含量0.039 5 mg·kg-1，達《食品安全國家標準食品中污染物限量》（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）兩者的對照比較可見，加生物納米材料對Cd2+的固化率達99.64%，不加生物納米材料的土壤對Cd2+的固化率僅為1.86%。

3 結論

1）本研究的生物納米材料對Cd2+污染稻田濃度低于0.5 mg·kg-1土壤修復效果非常明顯，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標。2）被Cd2+污染的稻田，自然降低Cd2+進入稻粒的能力很小，僅為1.86%。3）本研究結果是Cd2+污染的稻田修復的有競爭力的一條途徑，該技術具有實用價值。

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[12] 張洪榮，陳春壇，李衛(wèi)，等.生物納米材料修復鉻污染土壤的試驗研究初報[J].南方農業(yè)[J]，2019，13（21）：182-183，187.

[13] 陳春壇，張洪榮，李昕，等.生物納米材料對鎘污染土壤種植小白菜的修復研究[J].四川文理學院學報，2019，29（5）：37-41.

（責任編輯：趙中正）