生物纳米材料修复镉污染的稻田土壤种植水稻的试验研究

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　　摘 要 为探究生物纳米材料修复稻田二价镉污染种植水稻的效果设计试验。试验中稻田二价镉（Cd2+）含量为0.5～1.0 mg·kg-1，经过加入一定比例的生物纳米材料，并调节土壤pH值为中性，种植稻苗，施肥、浇水，收割稻粒，检测稻粒总镉含量验证修复效果。结果表明，该生物纳米材料能将稻田中的Cd2+钝化固化，不被稻粒吸收。试验种植产出的水稻中镉的含量满足2017年国家计生委和食品药品监督管理总局修订的国标《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中表2镉的限量标准0.2 mg·kg-1稻米，本技术具有实用价值。
　　关键词 生物纳米材料;镉污染稻田;生物修复
　　中图分类号：X53 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.32.093
　　土壤是人类赖以生存的自然资源，但当今城市和工业的快速发展，造成了土壤污染加剧，其中，土壤重金属污染日益严重。我国农业部门调查表明，全国受重金属污染土地达2 500万公顷，许多地方的粮食、蔬菜和水果中的镉等重金属含量接近临近值。粮食中镉含量超标，会诱发“骨痛病”，危害身体健康。
　　近年来，相关学者对受重金属污染土壤的修复进行了大量研究，相关的修复方法有化学淋洗[1-2]、植物修复、电动修复[3]、铁基修复[4]、有机或无机材料改性修复[5-6]、生物修复[7-9]等方法。李福德等[10]编著了《微生物去除重金属和砷—复合硫酸盐还原菌法的机理与技术》;李昕等[11]公布了《钝化固化修复土壤六价铬污染的生物纳米材料的制备方法》（中国发明专利公开号201810934854.5）;张洪荣等[12]探究了生物纳米材料对铬污染土壤的修复效果;陈春坛等[13]研究了《生物纳米材料对镉污染土壤种植小白菜的修复研究》。本次研究利用硫酸盐还原菌在一定条件下产生的生物纳米材料[10?11]与含镉稻田的水和土壤中镉发生作用，将镉钝化固化，不被水稻吸收，达到修复含镉稻田水和土壤的目的。本方法操作管理方便，投资运行费低，有应用价值。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　1.1.1 生物纳米材料
　　生物纳米材料由成都科泰技术有限公司利用硫酸盐还原菌制取并提供。该生物纳米材料为脱硫弧菌（Desulfovibrio sp.）、脱硫肠状菌（Desulfotomaculum sp.）和脱硫杆菌（Desulfobacter sp.）等微生物反应合成长为45～80 nm，长宽比为（15～20）：1，放大40万倍时为晶格条纹和晶格颗粒的纳米材料[10-11]。
　　1.1.2 试验土壤
　　试验土壤取自四川省成都市双流区大林镇水稻田。该土壤理化性质按土壤农化常规分析方法测定，pH为7.97，有机质含量22.0 g·kg-1，全氮含量1.65 g·kg-1，有效磷含量24.5 mg·kg-1，总镉含量小于0.1 mg·kg-1。
　　1.1.3水稻品种
　　试验水稻品种购自成都市农业种子公司。
　　1.2 试验仪器与试剂
　　1.2.1 主要试剂
　　试验主要试剂为氯化镉，购于成都市鑫科化工有限公司。0.5 mg·mL-1 Cd2+试剂配制方法为称取该CdCl2·2.5H2O 0.1016 g，溶于100 mL水中，共100 mL试剂待用。
　　1.2.2 主要仪器
　　电热恒温培养箱（北京中兴实验仪器有限公司，型号HH·BII·420）、离心机（江苏圣力离心机制造有限公司，型号800型）、电磁恒温搅拌器（广州市深华生物技术有限公司，型号为弗鲁克FCH202-S）、紫外分光光度计（上海美谱达仪器有限公司，型号T22）、氢火焰原子吸收光谱仪（上海科仪公司，型号为361MC）、电感耦合等离子质谱仪（北京吉天仪器有限公司，型号Agilent7500/7700系列ICP-MS）。此外，还需试验种植分体水箱，规格为52 cm×38 cm×32.4 cm;集水箱，规格为180 cm×45 cm×36 cm。
　　1.2.3 检测方法
　　pH用NY/T 1121.2-2006法测定;总镉用GB 5009.15-2014法测定;铜、镉、铬、镍用《食品安全国家标准食品中多元素的测定》GB 5009.268-2016法测定。
　　1.3 试验方法
　　1.3.1 稻田水镉污染处理试验
　　采用五点取样法取稻田水25 L，分取18个1.0 L水样，分为3组，每组6个水样。第一组稻田水样编号为P-1、P-2、P-3、P-4、P-5、P-6，改变pH探究pH变化对Cd2+去除的影响;第二组编号为C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、C-6，通过改变Cd2+浓度探究Cd2+浓度变化对Cd2+去除的影响;第三组编号为B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6，通过改变生物纳米材料（BN）量探究生物纳米材料增减对Cd2+去除的影响。反应1 h，BN将Cd2固化，Cd2+不溶于水中，过滤，测滤液中Cd2+含量。试验结果见表1、2、3和图1、2、3。
　　1.3.2 稻田土壤镉污染的处理试验
　　参考1.3.1部分稻田水镉污染的处理试验结果，设计稻田土壤镉污染的处理试验。将取回的pH 6.8的稻田土壤风干，共计约160 kg，分置于8个种植箱中，每个种植箱装20 kg原稻田土壤，用Na2CO3调pH为7.0，分组编号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，每个样加入生物纳米材料（BN）15 L;WR-4、WR-5、WR-6、WR-7、WR-8分别加入生物纳米材料（BN）10.0 L、15.0 L、20.0 L、15.0 L、0.0 L，每个样加入Cd2+ 10.0 mg，再加自来水搅匀，反应24 h后，种植水稻苗，定期补水和施肥。每2～4周取上清液检测pH和Cd2+含量，根据跟踪检测结果，补加生物纳米材料和肥料。在WR-1～WR-8稻箱种植的水稻成熟后，取其水稻稻粒检测其Cd2+浓度。 　　2 结果与分析
　　2.1 稻田水Cd2+污染的处理试验
　　稻田水镉污染的处理试验结果见表1、2、3和图1、2、3。从表1、图1可见，稻田水Cd2+含量为5 mg时，投加1.0 mL的生物纳米材料，在pH 6.5～8.5范围内反应1 h、过滤，可去除99.4%～99.9% Cd2+。
　　从表2、图2可以看出，Cd2+污染稻田水，在pH 7.0，Cd2+含量6.5 mg以下时，投加1.0 mL生物纳米材料反应、过滤，可去除98.4%以上Cd2+。
　　从表3、图3可见，在1.0 L镉污染的稻田水中，在Cd2+为5.0 mg，pH 7.0，投加1.0 mL生物纳米材料，可去除99.9%以上的Cd2+。
　　2.2 稻田土壤镉污染生物纳米材料修复种植水稻的试验
　　生物纳米材料修复稻田镉污染土壤种植水稻的试验结果见表4、5。从表4可见，在干土壤20.0 kg，pH 7.0，Cd2+含量为0.5 mg·kg-1土壤中，投入生物纳米材料（BN）15.0 L，Cd2+的固化率达99.3%，稻粒中总镉含量0.035 8 mg·kg-1，小于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中水稻镉限量0.2 mg·kg-1。
　　从表5可见，在稻箱土壤20.0 kg，pH 7.0，Cd2+含量0.5 mg·kg-1土壤，加入生物纳米材料15.0 L，Cd2+的固化率达99.61%，稻粒中总镉含量0.039 5 mg·kg-1，达《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中水稻镉限量0.2 mg·kg-1以下。从加BN（WR-7）与不加BN（WR-8）两者的对照比较可见，加生物纳米材料对Cd2+的固化率达99.64%，不加生物纳米材料的土壤对Cd2+的固化率仅为1.86%。
　　3 结论
　　1）本研究的生物纳米材料对Cd2+污染稻田浓度低于0.5 mg·kg-1土壤修复效果非常明显，可将稻田中的Cd2+钝化固化，使其不被稻粒吸收，使稻粒中总镉含量达标。2）被Cd2+污染的稻田，自然降低Cd2+进入稻粒的能力很小，仅为1.86%。3）本研究结果是Cd2+污染的稻田修复的有竞争力的一条途径，该技术具有实用价值。
　　参考文献：
　　[1] 张佳，陈鸿汉，张岩坤，等.柠檬酸淋洗去除土壤中铬的实验研究[J].环境科学学报，2015，35（7）：2247-2253.
　　[2] Mitchell K，Trakal L，Sillerova H，et al.Mobility of As，Cr and Cu in a contaminated grassland soil in response to diverse organic amendments;a sequential column leaching experiment[J].Applied Geochemistry，2019，88（A）：95-102.
　　[3] 苏凤，李丽，李韵文，等.电动-还原技术修复受铬污染西部黄土的研究[J].甘肃农业大学学报，2017，52（3）：90-94，101.
　　[4] 李勇超.功能化核壳型纳米铁的制备及修复地下水中六价铬的研究[D].天津：南开大学，2012.
　　[5] 牛芬洁.改性桉树皮对重金属六价铬的吸附性能研究[D].南宁：广西大学，2015.
　　[6] Zhu F，Li L，Ren W，et al.Effect of pH，temperature，humic acid and coexisting anions on reduction of Cd（Ⅵ） in the soil leachate by nZVI/Ni bimetal material[J].Environmental Pollution，2017，227：444-450.
　　[7] 齊水莲.微生物—植物联合修复铬污染土壤的性能研究[D].郑州：郑州大学，2016.
　　[8] Ranieri E，Gikas P.Effects of Plants for Reduction and Removal of Hexavalent Chromium from a Contaminated Soil[J].Water，Air，&Soil Pollution，2014，225（6）：1981.
　　[9] 吴淑航，周德平，吕卫光，等.硫酸盐还原菌修复铬（VI）污染土壤的研究[J].农业环境科学学报，2007（2）：467-471.
　　[10] 李福德，李昕，谢翼飞，等.微生物去除重金属和砷——复合硫酸盐还原菌法的机理与技术[M].北京：化学工业出版社，2011.
　　[11] 李昕，陈春坛，李卫，等.钝化固化修复土壤六价铬污染的生物纳米材料的制备方法：201810934854.5[P].2018-12-11.
　　[12] 张洪荣，陈春坛，李卫，等.生物纳米材料修复铬污染土壤的试验研究初报[J].南方农业[J]，2019，13（21）：182-183，187.
　　[13] 陈春坛，张洪荣，李昕，等.生物纳米材料对镉污染土壤种植小白菜的修复研究[J].四川文理学院学报，2019，29（5）：37-41.
　　（责任编辑：赵中正）
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