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土壤作为自然界的组成部分,是所有陆地生态系统的基础。近年来随着工农业的蓬勃发展,废弃物的排放导致土壤重金属污染问题日益严重。重金属铅因其在土壤中易发生迁移转化、很难被降解的特点,对土壤环境造成了严重危害。生物炭因疏松多孔的结构特征,成为当今备受关注的土壤改良剂。植物修复技术具备环境风险较小,不会造成二次污染等优势,但在应用过程中会受到自身富集效果的制约。本研究以农田废弃物秸秆制备生物炭,耦合东北地区广泛分布的高富集植物马齿苋,在生物炭钝化铅污染的同时提升马齿苋对铅的富集效果,进而探讨生物炭耦合马齿苋对铅污染土壤的修复情况。本研究的主要内容如下:
(1)在探究生物炭对铅离子吸附效果的试验中,生物炭因其管状纤维孔结构以及大量的含氧官能团使其展现出了良好的吸附特性。通过吸附体系的试验发现生物炭在达到吸附平衡时的吸附量为27.82mg/g;动力学拟合结果表明生物炭对铅的吸附过程为化学吸附。生物炭吸附铅离子等温吸附曲线符合Langmuir方程模型,表明生物炭对Pb2+的吸附机制为单分子层吸附。三维荧光光谱数据表明DOM主要是由色氨酸类蛋白质、芳香族类蛋白质、腐殖酸、富里酸等成分组成。腐殖酸、富里酸对比两类蛋白质组分展示出与铅更强的结合能力。同步荧光光谱的数据表明铅离子浓度越高,DOM与铅离子间的作用效果就越强烈。使用Stern-Volmer方程进行拟合,猝灭速率常数分别为2.023×1011L/mol/s和1.004×1011L/mol/s,表明Pb2+与DOM主要发生的是静态荧光猝灭。DOM中的蛋白质组分与铅离子存在一类结合位点,腐殖酸与铅铅离子存在一类结合位点。
(2)在生物炭调节马齿苋生长情况的研究中,种子萌发的试验结果表明,生物炭能够在2500mg/LPb2+的范围内对种子萌发有一定的促进作用。植物培育试验的结果说明,在500mg/kg铅污染土壤条件下,生物炭能够提高马齿苋植株的生物量,使株高、株重等指标恢复到未受污染的植株自然生长状态。通过改变生物炭的不同投加量,发现生物炭在土壤比重的2%时,植株株重达到了处理组中的最大值4.996g,说明此生物炭添加量对植物的促进效果最为显著。通过对植物抗氧化防御系统指标的测定结果表明,生物炭的加入提升了马齿苋SOD、CAT、POD等抗氧化酶的活力,使丙二醛(MDA)含量有效降低了13.09%。
(3)生物炭与马齿苋的联合施用,有效调节了土壤的理化性质,促进了土壤全氮量、有机质的增长,还在一定程度上调节了土壤环境的pH值。生物炭投加量为2%时,马齿苋对土壤铅的富集效果达到了1.807mg/kg。生物炭耦合马齿苋的联合修复使土壤中有效态铅含量出现了显著降低,随着生物炭投加量增大有效态铅含量呈现规律性下降趋势,2%生物炭耦合马齿苋修复土壤中的铅污染时,所表现出的协同效果最好。3%生物炭耦合马齿苋的处理组,土壤有效态铅含量减少至303.9mg/kg,此时在所有处理组中的修复效果最好。生物炭对土壤中重金属铅的赋存形态有重要的调节作用,使土壤中重金属铅的赋存形态向残渣态转化,并且马齿苋能够对生物可利用性较高的酸溶态、还原态、氧化态的铅进行富集。
(1)在探究生物炭对铅离子吸附效果的试验中,生物炭因其管状纤维孔结构以及大量的含氧官能团使其展现出了良好的吸附特性。通过吸附体系的试验发现生物炭在达到吸附平衡时的吸附量为27.82mg/g;动力学拟合结果表明生物炭对铅的吸附过程为化学吸附。生物炭吸附铅离子等温吸附曲线符合Langmuir方程模型,表明生物炭对Pb2+的吸附机制为单分子层吸附。三维荧光光谱数据表明DOM主要是由色氨酸类蛋白质、芳香族类蛋白质、腐殖酸、富里酸等成分组成。腐殖酸、富里酸对比两类蛋白质组分展示出与铅更强的结合能力。同步荧光光谱的数据表明铅离子浓度越高,DOM与铅离子间的作用效果就越强烈。使用Stern-Volmer方程进行拟合,猝灭速率常数分别为2.023×1011L/mol/s和1.004×1011L/mol/s,表明Pb2+与DOM主要发生的是静态荧光猝灭。DOM中的蛋白质组分与铅离子存在一类结合位点,腐殖酸与铅铅离子存在一类结合位点。
(2)在生物炭调节马齿苋生长情况的研究中,种子萌发的试验结果表明,生物炭能够在2500mg/LPb2+的范围内对种子萌发有一定的促进作用。植物培育试验的结果说明,在500mg/kg铅污染土壤条件下,生物炭能够提高马齿苋植株的生物量,使株高、株重等指标恢复到未受污染的植株自然生长状态。通过改变生物炭的不同投加量,发现生物炭在土壤比重的2%时,植株株重达到了处理组中的最大值4.996g,说明此生物炭添加量对植物的促进效果最为显著。通过对植物抗氧化防御系统指标的测定结果表明,生物炭的加入提升了马齿苋SOD、CAT、POD等抗氧化酶的活力,使丙二醛(MDA)含量有效降低了13.09%。
(3)生物炭与马齿苋的联合施用,有效调节了土壤的理化性质,促进了土壤全氮量、有机质的增长,还在一定程度上调节了土壤环境的pH值。生物炭投加量为2%时,马齿苋对土壤铅的富集效果达到了1.807mg/kg。生物炭耦合马齿苋的联合修复使土壤中有效态铅含量出现了显著降低,随着生物炭投加量增大有效态铅含量呈现规律性下降趋势,2%生物炭耦合马齿苋修复土壤中的铅污染时,所表现出的协同效果最好。3%生物炭耦合马齿苋的处理组,土壤有效态铅含量减少至303.9mg/kg,此时在所有处理组中的修复效果最好。生物炭对土壤中重金属铅的赋存形态有重要的调节作用,使土壤中重金属铅的赋存形态向残渣态转化,并且马齿苋能够对生物可利用性较高的酸溶态、还原态、氧化态的铅进行富集。