葉酸和蛋氨酸輔助提升單一螯合劑去除土壤重金屬的研究

彭雅茜，張世熔，王怡君，鐘欽梅，馮 燦

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130）

近年來，工業(yè)“三廢”排放、金屬冶煉和采礦等人為活動的增加導(dǎo)致土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，成為全球性的環(huán)境問題[1-2]。土壤重金屬不僅使土壤質(zhì)量下降，而且能通過食物鏈累積危害人體健康[3]。其中，Cd和Pb是非必需元素，因具有高毒性和非生物降解性而易于致癌[4]。盡管Zn是必需營養(yǎng)元素，但過量的Zn也會抑制植物生長[5]。因此，鎘鉛鋅復(fù)合污染的土壤亟待修復(fù)。

目前，常見的重金屬污染土壤修復(fù)方法主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)[6-7]。化學(xué)萃取修復(fù)技術(shù)具有耗時短和效果明顯等特點(diǎn)，因而有較好的工程應(yīng)用前景[8]。化學(xué)萃取是通過溶解和解吸等作用將重金屬從土壤固相轉(zhuǎn)移至浸提液中，從而實(shí)現(xiàn)污染土壤的凈化[1]。該技術(shù)的關(guān)鍵是篩選來源廣泛、成本低廉和環(huán)境友好的浸提劑。常用的浸提試劑包括酸、鹽、螯合劑和表面活性劑等[8-9]，它們雖然能去除重金屬，但存在一些缺點(diǎn)。例如，無機(jī)酸的使用會破壞土壤結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，表面活性劑和人工螯合劑大部分生物降解性差，且對環(huán)境有危害，易對土壤造成二次污染[10]。天然螯合劑例如檸檬酸、檸檬酸銨等具有一定的浸提效果且易于生物降解。但在單一使用條件下，它們對復(fù)合污染土壤中多種重金屬的去除率有限[11]。因此，篩選環(huán)境友好型且能與主要浸提劑配合使用的低廉高效的輔助劑，具有一定的實(shí)用價值[12]。

檸檬酸（CA）和檸檬酸銨（AC）生產(chǎn)成本低且環(huán)境友好，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸（PBTCA）亦是一種來源廣泛且可生物降解的阻垢劑。三者均含有相應(yīng)的羧基及羥基基團(tuán)，能夠螯合重金屬[13-15]。本研究初步試驗(yàn)表明，三者在鎘鉛鋅復(fù)合污染土壤的浸提效果有限。因此，需要尋找提高重金屬去除率的輔助劑。葉酸（FA）是水溶性維生素，具有很強(qiáng)的藥理和生化活性，在食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，分子中含羧基能螯合重金屬且環(huán)保無毒[16]。蛋氨酸（Met）屬于氨基酸類物質(zhì)，能與金屬結(jié)合[17]，其本身容易生物降解，屬于環(huán)境友好型試劑[18]。FA和Met是有利于植物生長的2種有機(jī)酸，但對CA、AC和PBTCA去除重金屬的影響尚不清楚[19]。因此，本研究擬將FA和Met作為輔助劑，采用檸CA、AC和PBTCA與其分別組合進(jìn)行研究，以期探討添加FA或Met能否提高土壤Cd、Pb和Zn的去除率；評估FA或Met濃度、pH和反應(yīng)時間對重金屬去除率的影響，獲取最優(yōu)化參數(shù)；分析最優(yōu)工藝條件下復(fù)合浸提劑對土壤重金屬組分的影響。探索有機(jī)酸輔助劑用于提升單一浸提劑去除土壤重金屬的可行性，為鎘鉛鋅復(fù)合污染土壤的修復(fù)提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與浸提劑

1.1.1 供試土壤

土樣采自四川省漢源縣富泉鉛鋅礦區(qū)的表層土壤（0～20 cm）。樣品自然風(fēng)干后，剔除植物殘體和碎石，經(jīng)研磨后過2 mm尼龍篩，混勻，存放在封口袋中備用。

土壤基本理化性質(zhì)：pH 7.36，有機(jī)質(zhì)30.46 g·kg-1，全氮 1.32 g·kg-1，全磷 0.72 g·kg-1，全鉀 11.02 g·kg-1，土壤中 Cd、Pb和 Zn的含量較高，分別為 14.2、535 mg·kg-1和1465 mg·kg-1。

1.1.2 浸提劑

葉酸（FA），分析純，產(chǎn)自南京奧多福尼生物科技有限公司；蛋氨酸（Met），分析純，產(chǎn)自上海研臣實(shí)業(yè)有限公司。檸檬酸（CA）和檸檬酸銨（AC），分析純，均購自萬科化學(xué)試劑公司；2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸（PBTCA），純度50%（分析純），產(chǎn)自山東棗莊鑫泰化工有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單一材料對土壤鎘鉛鋅去除影響試驗(yàn)

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入 20 mL 濃度為 0.10、0.25 mol·L-1和 0.40 mol·L-1的CA、AC或PBTCA浸提液，共9個處理；20 mL濃度為2.0 g·L-1和5.0 g·L-1的FA或Met浸提液，共4個處理。pH用0.10 mol·L-1的HNO3或 NaOH調(diào)節(jié)至 4.00，在25 ℃、250 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。蒸餾水做對照，每個處理重復(fù)3次。

1.2.2 輔助劑提升螯合劑去除土壤鎘鉛鋅效率試驗(yàn)

混合浸提劑的配制。將FA和Met兩種輔助劑按0.5、2.0、3.5、5.0、6.5 g和8.0 g分別與0.25 mol的CA、AC和PBTCA組合，配制成1 L混合浸提液，共36個處理。

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入20 mL混合浸提液。混合液pH用0.10 mol·L-1的HNO3或NaOH調(diào)節(jié)至4.00，在25 ℃、250 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。每個處理重復(fù)3次。

1.2.3 pH對土壤鎘鉛鋅去除率的影響試驗(yàn)

優(yōu)化的混合浸提劑配制：選擇輔助劑最優(yōu)濃度，即FA為8.0 g·L-1，Met為5.0 g·L-1。將8.0 g的FA和5.0 g的Met分別與0.25 mol的CA、AC和PBTCA組合，配制成1 L混合浸提液。

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入20 mL混合浸提液。調(diào)節(jié)混合液pH分別為2、4、6、7和9，共30個處理。隨后于25 ℃、200 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。每個處理重復(fù)3次。

1.2.4 浸提時間對土壤鎘鉛鋅去除率的影響試驗(yàn)

優(yōu)化的混合浸提劑配制：選擇混合浸提液最優(yōu)pH，即pH為4。將8.0 g的FA和5.0 g的Met分別與0.25 mol的CA、AC和PBTCA組合，配制成1 L混合浸提液。

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入20 mL混合浸提液。pH用0.10 mol·L-1的HNO3或NaOH調(diào)節(jié)至4.00，在25 ℃、200 r·min-1條件下分別恒溫振蕩 10、30、120、240 min和 360 min后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。每個處理重復(fù)3次。

1.2.5 土壤理化性質(zhì)

土壤pH值采用酸度法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定[20]。

1.2.6 重金屬賦存形態(tài)測定

土樣經(jīng)最優(yōu)混合浸提液浸提120 min后，取出自然風(fēng)干，經(jīng)研磨后過2 mm尼龍篩備用。土壤采用HNO3-HClO4-HF三酸消煮，后用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定重金屬全量；重金屬形態(tài)的分析測定采用BCR連續(xù)提取法[21]。每個處理重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0分析軟件進(jìn)行單因素方差分析，數(shù)據(jù)平均值用L-S-D法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)p＜0.05時認(rèn)為其差異顯著。圖表采用Origin Pro 9.0繪制。

浸提去除率=浸提液中金屬總量（mg·kg-1）/土壤中金屬總量（mg·kg-1）×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 單一材料對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率

圖1 單一螯合劑對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率Figure 1 Effects of single chelating agents on soil Cd,Pb and Zn removal rates

隨著濃度的增加，CA、AC和PBTCA對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率均呈上升趨勢（圖1）。CA、AC和PBTCA均在濃度為0.4 mol·L-1時，對土壤重金屬的去除效果最好（蒸餾水對3種重金屬的去除率分別為0.51%、0.05%和0.08%）。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮土壤重金屬的去除效果和成本，濃度則不宜過度增加。因此，本研究選取3種螯合劑濃度為0.25 mol·L-1進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。然而，2種輔助劑對土壤重金屬Cd、Pb和Zn的去除效果較差，且均小于2.0%（表1）。因此，單一輔助劑難以直接用于去除土壤重金屬Cd、Pb和Zn。

2.2 浸提液濃度

2種輔助劑FA、Met分別與3種螯合劑CA、AC和PBTCA構(gòu)成的6種復(fù)合浸提劑對土壤重金屬Cd、Pb和Zn的去除率隨輔助劑濃度的增加而呈現(xiàn)不同的變化趨勢（圖2）。

Cd去除率除在FA與CA復(fù)合浸提時隨FA濃度增加呈上升趨勢外，與AC、PBTCA復(fù)合時，隨FA濃度的增加其趨勢均無明顯變化；Met與3種螯合劑復(fù)合浸提時對Cd的去除率隨濃度增加而略微波動，趨于平衡。這是由于相對添加Met而言，可能FA與重金屬Cd化學(xué)結(jié)合更穩(wěn)定[22]。因此，添加FA對Cd去除率提高效果更顯著。在FA濃度為8.0 g·L-1時達(dá)到最大去除率61.98%，此時對CA去除Cd的提升率為10.45%。總體上，F(xiàn)A與3種螯合劑構(gòu)成的復(fù)合浸提劑對輔助提升去除Cd的效果以CA為最高（3.53%～10.45%），AC次之（0.94%～5.73%）。

輔助劑在較高劑量時，6種復(fù)合浸提劑對Pb、Zn的浸提均有較好的去除效果。其中2種輔助劑FA和Met在5.0 g·L-1時，與PBTCA復(fù)合浸提對Pb有最大去除率，分別為76.07%和76.57%，同時達(dá)到最高的增加值（8.10%和8.60%）。FA在8.0 g·L-1時提升CA和AC去除Zn的效果最好，提升率分別為12.08%和7.31%。Met輔助提升CA、AC和PBTCA去除土壤重金屬Zn均表現(xiàn)為正效應(yīng)，在Met為5.0 g·L-1時去除率增加值為5.64%～10.15%。

由此可見，與CA、AC和PBTCA單獨(dú)浸提相比，加入FA和Met，在一定程度上提高了對土壤Cd、Pb和Zn的去除率。表明3種螯合劑與FA或Met可能相互作用。其原因可能是輔助劑與螯合劑作用后，2種有機(jī)酸輔助劑在金屬表面形成多分子吸附層，從而促進(jìn)其與重金屬離子螯合[9，23]。2種輔助劑提升CA、AC對重金屬Cd和Zn的浸提效果優(yōu)于PBTCA。一方面可能是由于PBTCA與Ca2+和Mg2+等土壤干擾陽離子結(jié)合[24]，減少了FA或Met占據(jù)其結(jié)合位點(diǎn)的機(jī)會。另一方面，CA的酸溶作用將酸溶態(tài)重金屬大量去除[8]。PBTCA的復(fù)合浸提劑浸提Pb的效果高于Cd和Zn，可能與PBTCA的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)[1]，表明其有潛力修復(fù)Pb污染的土壤。

2.3 浸提液pH

浸提液pH也是影響重金屬去除效果的重要因素[25]。如圖3所示，隨著浸提液pH增加，6種復(fù)合浸提劑對Pb和Zn的去除率逐漸降低，其變化趨勢基本相同。在混合浸提液pH值為2時，PBTCA與FA和Met構(gòu)成的復(fù)合浸提液對Pb的去除率達(dá)84.12%和85.87%；CA的復(fù)合浸提劑對Zn的去除率分別為46.70%和53.56%。6種復(fù)合浸提劑對Cd的去除率隨溶液pH的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢。其中FA與CA復(fù)合浸提液對Cd的去除率隨pH增加先升高后降低，且在pH為4時去除率為61.98%。AC與FA和Met的復(fù)合浸提液pH由7升高至9時，Cd的去除率略有增長。這可能是由于Cd在高pH范圍內(nèi)以帶負(fù)電的 Cd（OH）-3和Cd（OH）2-4的形式存在[26]。

總體來看，酸性條件下重金屬的去除效率高于堿性條件。因?yàn)閜H較低時，鐵鋁氧化物固定的重金屬更容易從土壤中釋放，與腐殖質(zhì)結(jié)合的重金屬元素也更容易被活化，從而提高重金屬化合物的可溶性，通過與浸提液中的氫離子交換，重金屬離子去除率得到提高[10]；而pH過高時，重金屬活化程度逐漸降低。由此可知，pH較低時對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率較高。但在實(shí)際應(yīng)用中，pH過低不僅會破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤酸化[27]，而且會提高經(jīng)濟(jì)成本，不利于實(shí)際工程應(yīng)用。雖然pH為2～4時重金屬去除率主要呈下降趨勢，但變化不大。因此，選用浸提液pH為4既能最大程度地減少對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，也能有效地去除土壤重金屬。

表1 單一輔助劑對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率（%）Table 1 Effects of auxiliaries on soil Cd，Pb and Zn removal rates（%）

圖2 不同輔助劑濃度對土壤中Cd、Pb和Zn去除率的影響Figure 2 Effects of the concentration of auxiliaries on soil Cd,Pb and Zn removal rates

2.4 浸提時間

浸提時間是影響土壤重金屬去除的另一重要因素[28]。從圖4可以看出，浸提時間在0～120 min內(nèi)，3種重金屬的去除率均快速增加，之后趨于平衡，這可能是由重金屬的限速溶解和解吸造成的[29]。浸提初期，土壤中易遷移的酸溶態(tài)被快速釋放出來；隨著浸提時間增加，與土壤結(jié)合較緊密的重金屬也被浸提液緩慢洗出，因此各種重金屬的解吸速率變緩，逐漸趨于平衡[30]。在浸提120 min時，土壤重金屬的去除率達(dá)到最大。CA的復(fù)合浸提劑對Cd和Zn的浸提效果較其他復(fù)合浸提劑更好，其中，CA與FA復(fù)合時對Cd、Zn的去除率最高可達(dá)61.98%和49.20%；而對Pb的去除效果最好的則是PBTCA與Met的復(fù)合浸提劑（76.57%），PBTCA與FA混合次之（76.07%）。

浸提時間超過120 min后，去除率趨于穩(wěn)定。其主要原因是重金屬離子與土壤顆粒結(jié)合牢固，從而導(dǎo)致重金屬難以從土壤中解吸，且其去除率隨時間的增加變化不大。合適的浸提時間不僅可以降低成本，還可以縮短土壤修復(fù)的時間。綜合考慮后，本研究選用120 min為最佳浸提時間。

2.5 浸提前后土壤重金屬形態(tài)變化

土壤中重金屬的不同形態(tài)分布會影響其在土壤中的行為，遷移能力越強(qiáng)，對環(huán)境的影響越大[31]。從圖5中可以看出，浸提前后土壤中重金屬Cd、Pb和Zn的各個形態(tài)均有不同程度的變化。浸提前土壤中Cd主要以酸溶態(tài)和可氧化態(tài)形式存在，分別為5.83 mg·kg-1和4.6 mg·kg-1。經(jīng)FA和Met與3種螯合劑復(fù)合浸提后，酸溶態(tài)含量顯著降低（p＜0.05），分別下降46.5%～76.8%和50.9%～77.2%。CA與2種輔助劑復(fù)合浸提能夠較好地去除土壤中酸溶態(tài)和可氧化態(tài)Cd，這主要是由于CA溶液呈酸性，可促進(jìn)酸溶作用的發(fā)生。同時FA和Met與CA的協(xié)同作用釋放出更多的可氧化態(tài)重金屬，與復(fù)合浸提液發(fā)生絡(luò)合、螯合反應(yīng)，從而被大量去除[9]。這表明混合浸提劑能改變土壤中重金屬Cd的形態(tài)分布，使其易遷移和轉(zhuǎn)化，再通過復(fù)合浸提去除[32]。

圖3 混合浸提液的pH值對土壤中Cd、Pb和Zn去除率的影響Figure 3 Effects of the solution pH on soil Cd,Pb and Zn removal rates by various combined solutions

圖4 不同浸提時間對土壤中Cd、Pb和Zn去除率的影響Figure 4 Effects of the leaching time on soil Cd,Pb and Zn removal rates by various combined solutions

圖5 復(fù)合浸提前后土壤中Cd、Pb和Zn的形態(tài)分布Figure 5 Distribution of Cd,Pb and Zn fractions in soil before and after washing with various combined solutions

浸提前土壤中Pb主要為可氧化態(tài)形式，含量為244.1 mg·kg-1。與Cd組分變化相似，6種復(fù)合浸提劑均能大量去除酸溶態(tài)的Pb，PBTCA與2種輔助劑復(fù)合使其含量最高分別下降79.3%和95.7%；同時Pb的可還原態(tài)也顯著降低（p＜0.05）。其中，PBTCA和Met組合能較好地去除可氧化態(tài)的Pb，使其含量下降39.3%。因此，PBTCA與Met構(gòu)成的復(fù)合浸提劑對Pb的浸提效果最好。

而Zn主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，其含量為614.2 mg·kg-1，占土壤Zn全量的41.9%，說明Zn較穩(wěn)定存在于土壤礦物晶格中。這也是Zn去除率較低的原因[3]。與Cd、Pb組分變化相似，酸溶態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)Zn顯著降低（p＜0.05）。值得關(guān)注的是，當(dāng)PBTCA存在時，殘?jiān)鼞B(tài)的Zn也顯著降低（p＜0.05），下降幅度為34%～38%。這表明PBTCA與2種輔助劑復(fù)合浸提能較好地去除殘?jiān)鼞B(tài)Zn。

綜上所述，浸提后土壤中Cd、Pb和Zn的4種形態(tài)均得到不同程度的去除。其中，對浸提重金屬貢獻(xiàn)最大的是酸溶態(tài)，其次是可還原態(tài)和可氧化態(tài)。表明主要是重金屬的酸溶態(tài)、可還原態(tài)和部分可氧化態(tài)參與浸提反應(yīng)，從而高效修復(fù)土壤。因此，本試驗(yàn)采用復(fù)合浸提液修復(fù)重金屬污染的土壤切實(shí)可行。

3 結(jié)論

（1）單一螯合劑CA、AC和PBTCA對土壤重金屬Cd、Pb和Zn均有一定去除效果。三者在0.25 mol·L-1時，3種重金屬的最高去除率分別為51.53%、67.97%和37.12%。

（2）加入FA或Met可以提高土壤中Cd、Pb和Zn的去除率。當(dāng)混合浸提液pH值為4、浸提時間為120 min時，輔助劑提升3種土壤重金屬去除率的最高增加值為10.45%、19.65%和12.08%。混合液濃度、pH和接觸時間顯著影響重金屬的去除率（p＜0.05）。

（3）復(fù)合浸提后土壤中重金屬的酸溶態(tài)、可還原態(tài)和部分可氧化態(tài)含量顯著下降（p＜0.05），減少了土壤重金屬污染環(huán)境的風(fēng)險。