化學淋洗對鉛鋅復合污染土壤微生物與酶活性的影響研究*

蘇耀明 陳志良# 譚映宇 雷國建 方曉航

(1.環境保護部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655；2.浙江省環境保護科學設計研究院，浙江 杭州 310007)

土壤微生物在土壤環境中發揮著重要作用[1]。由于土壤礦物和微生物的相互作用可改變礦物表面性質和微生物酶活性，進而影響土壤肥力等環境效應[2]。因此，土壤微生物及其酶活性可以反映土壤質量、土壤肥力的演變，并可用作評價土壤健康的生物指標[3-4]。重金屬污染土壤修復會導致土壤微生物、酶活性發生重要變化。在重金屬污染土壤修復技術中，化學淋洗被認為是一種修復能力很高的技術。乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-Na2)是一種常用的淋洗劑，對大多數重金屬均有較好的螯合作用。但是EDTA-Na2單劑(以下簡稱單劑)不能有效解決土壤中多種重金屬復合污染的問題，還會對土壤理化性質產生不可逆轉的破壞作用。近年來，采用EDTA-Na2與不同類型的表面活性劑混合作為淋洗劑的研究較多[5-7]。茶皂素作為一種天然的生物表面活性劑，因其毒性低、可生物降解、生產成本低等優點而越來越受到關注[8]。本研究比較了超純水單劑、EDTA-Na2與茶皂素混合劑(以下簡稱混合劑)作為淋洗劑，對鉛鋅復合污染土壤化學淋洗后土壤微生物與酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 土壤樣本采集

實驗用土壤樣本采自某鉛鋅礦尾礦庫區污染土壤，分上層(0～30 cm)、中層(30～60 cm)、下層(60～100 cm)分別采樣，并分袋裝好。土壤樣本在實驗室自然風干，剔除其中的植物殘體、石塊、沙粒等雜物，磨碎后過2 mm尼龍篩，保存備用。

1.2 實驗設計

土壤淋洗裝置由加藥裝置、淋洗柱和淋洗液接受盒3部分組成。其中加藥裝置包括加藥桶和計量泵，控制淋洗液的流量。淋洗柱采用優質有機玻璃圓管制成，柱體內徑為25 cm，高為130 cm，底部用厚度為2 cm的有機玻璃網格板支撐并進行防水設計，柱身從底部開始每隔10 cm設置土壤樣品采樣孔，位于上層、中層、下層的采樣孔采集的土壤樣品混合后進行分析。淋洗液接受盒為40 cm×35 cm×30 cm的有機玻璃長方體盒。將1.1中采集的下層、中層、上層土壤樣本依次由下往上填充，每層填充厚度為30 cm。淋洗劑由加藥裝置從淋洗柱上方進行加藥。

單劑的EDTA-Na2摩爾濃度為0.09 mol/L，pH調節為3.0±0.1?；旌蟿┑腅DTA-Na2摩爾濃度為0.04 mol/L，按溶液質量的1%添加茶皂素，pH調節為4.0±0.1。同時，用超純水作為對照淋洗劑。淋洗劑流量控制為12 L/h，每間隔1 h在淋洗柱采樣孔中分層采集土柱中的土壤樣品，測定土壤微生物和酶活性及其他指標。

1.3 分析方法

稱取10 g土壤樣本置于50 mL燒杯中，加入25 mL超純水，攪拌混勻5 min，靜置60 min后用校正過的pH計(PHSP-3F型)測定土壤pH。

土壤中的鉛、鋅濃度采用HF-HClO4-HNO3法消解，火焰原子吸收分光光度計(島津AA-7000)測定；土壤有機質根據《土壤檢測 第6部分：土壤有機質的測定》(NY/T 1121.6—2006)的要求測定；速效磷根據《酸性土壤有效磷的測定》(NY/T 1121.7—2006)方法測定；硝態氮采用酚二磺酸比色法測定。

土壤真菌、細菌、放線菌、微生物總量等微生物指標以及過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶等土壤酶活性指標根據《土壤微生物生物量測定方法及其應用》[9]的方法測定。

2 結果與討論

2.1 土壤樣本鉛、鋅污染狀況

土壤樣本中鉛和鋅的濃度及超標倍數如表1所示。所采集的上層、中層、下層土壤樣本鉛、鋅濃度均超過了《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)的二級標準(pH<6.5)。不同深度的土壤樣本鉛、鋅濃度表現為從上層到下層逐漸降低的趨勢。上層鉛超標倍數為3.14倍，鋅超標倍數為3.19倍。因此，以下研究主要針對上層土壤。

2.2 化學淋洗對土壤理化性質的影響

上層土壤樣品的pH、有機質、速效磷和硝態氮經超純水、單劑和混合劑化學淋洗后的變化情況如表2所示。

從表2可見，超純水淋洗后土壤pH升高，由4.26變為5.36，而單劑和混合劑淋洗后pH分別降低到3.25和3.78；有機質的變化情況表現為超純水淋洗后有機質由3.1 g/kg降低為2.9 g/kg，而單劑和混合劑淋洗后土壤有機質升高到了3.8、4.6 g/kg；速效磷的變化情況表現為3種淋洗劑均導致速效磷有所降低；3種淋洗劑也使土壤中的硝態氮均有降低。

2.3 化學淋洗對鉛、鋅的去除效果對比

化學淋洗后上層土壤樣品中鉛、鋅去除率的變化分別見圖1和圖2。

表1 土壤樣本中鉛、鋅污染狀況

表2 淋洗劑對上層土壤樣品理化性質量的影響

圖1 化學淋洗對土壤中鉛的去除率Fig.1 The removal rate of Pb in soil by chemical washing

圖2 化學淋洗對土壤中鋅的去除率Fig.2 The removal rate of Zn in soil by chemical washing

從圖1可以看出，超純水對土壤中鉛的淋洗效果較差，去除率小于10%。單劑對土壤中鉛的去除率在前6 h提升明顯，6 h后去除率基本穩定在30%左右，至12 h時去除率最高達到34.41%。在相同處理時間的條件下，混合劑比單劑的去除率更高，并且混合劑的穩定時間更短。混合劑對土壤中鉛的去除率在前5 h即達到了37.71%，12 h時去除率最高可達到43.44%。

從圖2可以看出，超純水對土壤中鋅的淋洗效果也差，去除率小于10%。單劑對土壤中鋅的去除率在6 h時達到26.62%，提升趨勢顯著，此后去除率提升趨于平緩，12 h時去除率最大達到32.70%。混合劑對土壤中鋅的去除率在6 h時為31.10%，明顯高于單劑，6 h后去除率提升變慢但仍有提升，12 h時達到最大為37.62%。

2.4 化學淋洗對土壤微生物的影響

土壤微生物作為土壤的重要組成部分，可以很好地反映土壤中各種生物化學過程的動向和強度[10]。土壤微生物可以敏感地反映土壤環境的微小變化，很多研究表明，土壤微生物與動、植物相比對重金屬污染更具敏感性[11]。超純水、單劑和混合劑對土柱中土壤化學淋洗后，上層土壤樣品中真菌、細菌、放線菌、微生物總量的變化如圖3所示。

化學淋洗前真菌生物量為5.2×104cfu/g，超純水淋洗后土壤中真菌生物量降低到4.7×104cfu/g，變化不大；單劑、混合劑淋洗后土壤中真菌生物量顯著增加，尤其是混合劑淋洗后真菌生物量提高了近30倍，達到1.7×106cfu/g。

化學淋洗對土壤細菌的影響表現為：超純水淋洗后土壤中細菌生物量從9.7×105cfu/g升高到了1.1×106cfu/g，影響不大；單劑淋洗后土壤中細菌生物量急劇下降至1.0×105cfu/g，說明EDTA-Na2淋洗對土壤細菌的影響較大；混合劑淋洗后的細菌生物量略有升高，說明添加茶皂素能有效緩解EDTA-Na2對細菌的影響。

放線菌的生物量變化與真菌和細菌均不相同。超純水淋洗后放線菌生物量增加，單劑對放線菌生物量的變化影響不大，而混合劑淋洗后放線菌生物量急劇減少?；旌蟿┝芟磳Ψ啪€菌生物量減少的原因分析，可能是由于真菌競爭性生長，抑制了放線菌。

微生物總量的變化與細菌基本一致。因此，EDTA-Na2中適量添加茶皂素不僅可以提高重金屬的去除率，還能有效改善土壤微生物的生物量。

圖3 化學淋洗對土壤中微生物生物量的影響Fig.3 Effect of chemical washing on the biomass of micro-organisms in soil

2.5 化學淋洗對土壤酶活性的影響

超純水、單劑、混合劑對土柱中土壤化學淋洗后，上層土壤樣品中過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶的變化情況如表3所示。

表3 化學淋洗對土壤酶活性的影響

過氧化氫酶是參與土壤中物質和能量轉化的一種重要的氧化還原酶，能促進生物代謝中間產物過氧化氫的分解，緩解其對生物的毒害作用。過氧化氫酶活性在一定程度上反映了土壤生物化學過程氧化還原能力的大小。與淋洗前相比，超純水淋洗后過氧化氫酶略有升高；混合劑淋洗后過氧化氫酶活性略有降低；單劑淋洗后過氧化氫酶的活性急劇下降。對比單劑和混合劑對過氧化氫酶活性的影響可知，茶皂素可以很好地緩解EDTA-Na2對過氧化氫酶活性的影響。

脲酶的作用是催化進入土壤的尿素迅速分解成二氧化碳和氨，所以脲酶活性過高對土壤肥力和作物生長是不利的。從表3來看，只有混合劑淋洗后脲酶活性是降低的，超純水和單劑淋洗后脲酶活性略有提高，但是3種淋洗劑對土壤中脲酶活性影響都不大。

蔗糖酶可以把土壤中的蔗糖分子分解成能夠被植物和微生物利用的葡萄糖和果糖，其活性反映了土壤有機碳的累積與分解轉化規律。從表3可以看出，單劑和混合劑淋洗后蔗糖酶活性提高，特別是混合劑淋洗后蔗糖酶活性大大提高。

相關研究表明，土壤酶活性與土壤微生物、土壤污染狀況和土壤理化性質等因素有關[12-13]。綜合分析不同淋洗劑淋洗前后土壤酶活性的變化可以發現：超純水淋洗可以增加土壤濕度，但由于對土壤中重金屬去除率較差，土壤酶活性仍然受到抑制作用，因此土壤酶活性變化不明顯；單劑淋洗后重金屬濃度降低，土壤脲酶和蔗糖酶活性略有提升，但由于淋洗后土壤pH下降，過氧化氫酶活性明顯受到抑制；由于茶皂素可以為微生物提供營養，因此真菌等微生物的生物量明顯增加，由于土壤中的酶很大一部分是由土壤微生物分泌的，因此混合劑淋洗后土壤酶活性明顯提升。

3 結 論

(1) 在相同處理條件下，混合劑對鉛和鋅的去除率比單劑高。混合劑對土壤中鉛的去除率最高達到43.44%，對鋅的去除率最高為37.62%。

(2) 化學淋洗對土壤微生物影響表現為：單劑能在一定程度上促進土壤中的真菌生長，混合劑中的茶皂素能進一步增加土壤中真菌的生物量；單劑導致細菌生物量顯著下降，但混合劑能緩解EDTA-Na2對細菌的影響；微生物總量與細菌的變化規律基本一致；單劑對放線菌的影響不大，但超純水能促進放線菌生物量的增加，而混合劑導致放線菌生物量減少。

(3) 單劑對過氧化氫酶活性有抑制作用，但混合劑中的茶皂素可以緩解EDTA-Na2對過氧化氫酶活性的影響；3種淋洗劑均對土壤中脲酶活性影響不大；單劑和混合劑都能提高蔗糖酶活性，尤其是混合劑。

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