礦區(qū)重金屬污染快速檢測及生物修復方法研究

王秋利,韓 勇

(安康學院 旅游與資源環(huán)境學院,陜西 安康 725000)

近年來,受到城市化建設的影響,礦區(qū)環(huán)境污染問題日益突出,其中以礦區(qū)重金屬污染問題最為嚴重,如砷、鉛、鎘等重金屬,在日常生活中很容易危害人體健康[1-3]。因此,急需發(fā)展可靠的礦區(qū)重金屬檢測技術?？紤]到在工業(yè)生產(chǎn)中或其他途徑產(chǎn)生的重金屬會進入到礦區(qū)土壤中、水環(huán)境中,重金屬又不容易降解,存活在礦區(qū)土壤中或水體中時間較長,很容易被人體吸收,危害人體健康[4-6]。礦區(qū)重金屬檢測手段并不能杜絕重金屬中毒事件的發(fā)生,還需要修復手段對污染目標進行處理,使其恢復到健康狀態(tài),為此,提出生物修復方法的研究[7]。

目前,在礦區(qū)重金屬污染檢測和修復的研究中,更側(cè)重成本的控制[8],逐漸從簡單的比色分析法發(fā)展到一些借助儀器的檢測方法,檢測技術逐漸從單一性向著復合性發(fā)展,結(jié)合多種技術提高檢測質(zhì)量。相關領域國內(nèi)外學者專家們的研究,Limosani Francesca[9]等提出了一種自頂向下的方法,在pH值大于7的環(huán)境下,將氨水與富勒烯過氧化氫的羥基自由基開環(huán)進行混合,發(fā)生反應后可以合成N-CQDs,在動態(tài)光散射以及相關設備的檢測光譜表征下,N-CQDs可以有效用于金屬離子檢測。張瑞鋼等[10]通過分析土壤物理化學性質(zhì)和重金屬形態(tài)變化,比較2種生物炭對Hg、Cd、Pb單一和復合污染土壤的修復效果,得到了生物炭在不同條件下對不同重金屬的修復性能。以上對于生物修復技術的研究,主要利用物質(zhì)的吸附性使污染物向穩(wěn)定化形態(tài)轉(zhuǎn)化,從而達到修復污染目標。但是以上方法和成果在實際應用上還存在一些不足,很容易造成重金屬的進一步轉(zhuǎn)移,加重環(huán)境污染。

為了快速、有效檢測礦區(qū)重金屬污染,確保生物修復效果,提出礦區(qū)重金屬污染快速檢測及生物修復方法研究。準備檢測及修復試劑與儀器,利用乙酸纖維素膜制備試紙條,檢測礦區(qū)中重金屬離子含量。通過植物修復和生物炭—植物聯(lián)合修復技術去除土壤中重金屬離子,實現(xiàn)礦區(qū)重金屬快速檢測及修復。

1 材料與方法

1.1 檢測試劑與儀器

在礦區(qū)重金屬檢測中,檢測試紙條具有高靈敏度的優(yōu)勢,在研究中,將其與銀染法相結(jié)合,擴大信號的可視化,通過銀染信號的放大反應達到礦區(qū)重金屬裸眼檢測的目的[11-13]。

在檢測前,準備的試劑與儀器見表1和表2。

表1 準備試劑Tab.1 Preparation reagent

表2 檢測儀器Tab.2 Testing instruments

使用表1中的試劑配制實驗試劑。取0.02 g雙硫腙置于氯仿溶液中,經(jīng)過超聲震蕩混合均勻,保存于棕色瓶中;將硝酸鉛烘干,適宜溫度為105 ℃,稱取0.3 g,用超純水溶解,倒入容量瓶中,加入硝酸,經(jīng)過稀釋后在4 ℃溫度下保存?zhèn)溆?取硝酸鉻0.3 g,經(jīng)過超純水溶解后倒入容量瓶中,加入硝酸,稀釋后同樣置于4 ℃溫度下保存;銀染液由還原劑和乳酸銀溶液混合制成,同時還需要制備檸檬酸緩沖液,稱取2.5 g檸檬酸和2.3 g檸檬酸鈉,加入一定比例的超純水,對其進行超聲混合,混合均勻后常溫保存[14];在配置銀染液時,將0.85 g對苯二酚加入到檸檬酸緩沖液中,經(jīng)過超聲處理后,避光保存到棕色瓶中[15-17]。在完成試劑配制后,檢測礦區(qū)重金屬。

1.2 生物修復試劑與儀器

在生物修復方法設計與研究中,使用實驗試劑配制礦區(qū)重金屬污染樣品,使用的主要試劑見表3。

表3 生物修復樣品配制主要試劑Tab.3 Preparation of main reagents for bioremediation samples

生物修復效果理化分析所用的儀器見表4。

表4 生物修復所用儀器及用途Tab.4 Instruments and uses of bioremediation

1.3 優(yōu)化檢測條件

在整個檢測過程中,吸附雙硫腙的乙酸纖維素膜與金屬離子的反應時間是衡量絡合反應是否完全的重要指標。為了使其達到最好的效果,獲得最佳反應時間,將完成制備的乙酸纖維素膜浸入到濃度相同的重金屬離子溶液中,以5 min為間隔設置5組實驗,在時間截止后,取出各乙酸纖維素膜,重復銀染反應過程,掃描各個試紙條,分析試紙條上的灰度值和顏色變化,確定最佳時間。

在絡合反應中,pH值對反應效率有直接影響,合適的pH值有助于提高絡合效率,減少乙酸纖維素膜的非特異性吸附,不合適的pH值會影響絡合反應效果,降低乙酸纖維素膜的靈敏性。為了選擇出最佳pH值,將pH值設置在2～12,統(tǒng)一反應時間為20 min,重復上述過程,根據(jù)最后試紙條上灰度值和顏色變化確定最佳pH值。

1.4 檢測方法

利用試紙條和銀染液檢測礦區(qū)重金屬的原理是通過雙硫腙與重金屬的絡合反應,將重金屬離子的特異性絡合出來,借助銀染反應,擴大可視化信號。具體流程如圖1所示。

圖1 檢測原理示意Fig.1 Schematic diagram of detection principle

將乙酸纖維素膜浸泡在雙硫腙氯仿溶液中,靜置20 min后,取出沖洗兩遍后,將其浸泡在重金屬離子溶液中,20 min后取出,形成特異絡合物,可以看到試紙條變?yōu)榉凵?重金屬濃度越大,粉色越深[18-20]。將試紙條取出,使用超純水清洗,浸泡到Na2S溶液中,靜置15 min取出,通過硫離子與金屬離子的競爭結(jié)合,取代重金屬離子與雙硫腙結(jié)合,將乙酸纖維素膜取出,放入到超純水中,經(jīng)過超聲波清洗后取出非特異結(jié)合的Na2S,使用超純水再一次對其沖洗,結(jié)束后保存到超純水中。

1.5 生物修復方法

本文在生物修復過程中,主要利用植物修復的方法。采集15株生長蘆葦和適量的鹽地堿蓬種子,用于育苗實驗。實驗室溫度控制在20～30 ℃。首先進行植物育苗,將鹽地堿蓬種子浸泡5 h后移入土壤中培育。然后選取礦區(qū)中一定質(zhì)量的污染土壤,均勻分成10份后,置于10個同樣容量的有機玻璃柱中。經(jīng)過一段時間培養(yǎng),選取蘆葦和鹽地堿蓬幼苗各5株,移栽到10個有機玻璃柱中,并調(diào)整土壤的pH值。每隔4 d在20 cm深度處采集土壤樣品,測量36 d內(nèi)重金屬含量的變化情況。

1.6 測量與表征

通過XSAM-800型X射線光電子能譜分析儀分析土壤表面的物質(zhì)結(jié)構(gòu);利用pH-201型pH計測量土壤中的pH值,觀察pH值對修復效果的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測結(jié)果

利用乙酸纖維素膜進行重金屬污染檢測,呈現(xiàn)出的效果如圖2所示。

圖2 乙酸纖維素膜不同時期的顏色Fig.2 Color of cellulose acetate film in different periods

將通過上述過程形成的乙酸纖維素膜浸入銀染液中,在避光條件下將其放在搖床上反應20 min,在銀染液中還原劑的作用下,出現(xiàn)肉眼可見的黑色顆粒,檢測信號放大,實現(xiàn)了信號的可視化。將乙酸纖維素膜取出,使用超純水清洗并吹干,將其放置到掃描儀上,分析乙酸纖維素膜中的灰度值大小。根據(jù)灰度值大小變化情況,確定礦區(qū)重金屬污染程度。

通過上述過程完成礦區(qū)重金屬污染的快速檢測。檢測結(jié)果顯示,雙硫腙與重金屬離子的絡合反應完全有效,銀染反應能夠?qū)⑿盘柨梢暬糯?使目標達到裸眼檢測的標準;當目標樣品中不存在重金屬離子時,或者樣品中包含的金屬離子濃度在檢測限以下,銀染反應并不會發(fā)生,即便發(fā)生催化反應,作用也非常弱,只有超出檢測限才能發(fā)生反應。

檢測出的重金屬及其含量見表5。

表5 礦區(qū)土壤重金屬含量Tab.5 Heavy metal content of soil in mining area

2.2 生物修復結(jié)果

2.2.1 生物修復后重金屬含量變化

為測量生物修復效果,分別對5株蘆葦和5株鹽地堿蓬幼苗中土壤的重金屬含量進行檢測,檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同生物對土壤中重金屬含量的修復效果Fig.3 Remediation effect of different organisms on heavy metal content in soil

由圖3可知,隨著時間的增加,蘆葦和鹽地堿蓬對污染土壤均起到一定的修復作用。Cr含量由169.2 mg/kg降至100 mg/kg左右;Pb含量由78.4 mg/kg降至50 mg/kg左右;Zn含量由1 837 mg/kg降至800 mg/kg左右?？傮w修復效果,鹽地堿蓬略好于蘆葦。

2.2.2 XRD分析結(jié)果

利用X射線光電子能譜分析儀,分析重金屬土壤修復前后表征,如圖4所示。

圖4 生物修復前后XRD表征圖Fig.4 XRD characterization diagram before and after bioremediation

由圖4可知,反應前后均存在特征峰,但反應后的特征峰較明顯。通過XRD結(jié)果顯示,生物修復方法對去除重金屬離子效果較好。

2.2.3 pH值對修復效果的影響

利用pH計測量土壤中的pH值,獲取不同生物在不同pH值下對修復效果的影響,如圖5所示。由圖5可知,隨著pH值的增加,2種生物的重金屬離子去除率均隨之降低,但2種生物修復效果相差不大。說明pH值影響生物修復的效果。

圖5 不同pH值對修復效果的影響Fig.5 Effect of different pH values on the repair effect

綜上所述,在礦區(qū)重金屬污染快速檢測中,雙硫腙與銀染技術的結(jié)合,有助于提高礦區(qū)重金屬的快速檢測。由乙酸纖維素膜和其他溶液制備的試紙條具有高靈敏性,在樣品進入后,通過對試紙條的掃描,可以獲得目標的灰度值和顏色變化。以此作為依據(jù),即可實現(xiàn)對各種不同的重金屬的檢測和分析,特別是在最優(yōu)檢測條件下,檢測結(jié)果與ICP-MS得到的結(jié)果十分接近,說明該檢測方法可以用于實際樣品中的礦區(qū)重金屬檢測分析。

在生物修復方法研究中,將蘆葦和鹽地堿蓬作為修復生物,證明了生物修復重金屬離子是可行的,通過實驗研究了生物修復技術對重金屬離子含量的影響,確定了生物去除礦區(qū)重金屬的可行性。

3 結(jié)語

本文針對礦區(qū)重金屬污染問題,提出了礦區(qū)重金屬污染快速檢測及生物修復方法研究,從快速確定礦區(qū)重金屬污染源到修復重金屬污染兩方面研究,研究結(jié)果如下。

(1)雙硫腙與重金屬離子的絡合反應完全有效,銀染反應可放大可視化信號,實現(xiàn)礦區(qū)重金屬污染的快速檢測。

(2)檢測出的重金屬離子有Cr、Pb和Zn。

(3)蘆葦和鹽地堿蓬均可修復重金屬污染土壤,鹽地堿蓬的修復效果略好于蘆葦。

(4)生物修復后,XRD特征峰更為明顯,證明生物修復技術的可行性。2種生物在不同pH值下,去除率均受到影響,但2種生物的去除率相差不大。

研究內(nèi)容雖然取得了不錯的成果,但是在未來的應用上還有很大的進步空間。礦區(qū)重金屬污染環(huán)境比較復雜,受到多種因素影響,本文研究內(nèi)容對影響因素的分析和驗證并不全面,如溫度、濕度對礦區(qū)重金屬的影響,在以后的研究中,將從更多角度研究礦區(qū)重金屬的檢測和修復技術,完善相關技術內(nèi)容。