皂素廢水改良藍莓土壤的重金屬安全性評價*

高 琪，陳志遠,2，劉艷妮

（1 陜西理工大學生物科學與工程學院，漢中 723000）（2 陜西理工大學陜西省資源生物重點實驗室）

藍莓（Blueberry）是杜鵑花科越橘屬植物[1]，多年生灌木小漿果果樹[2]，富含花青素等多種黃酮類成分[3]，具有抗氧化、清除自由基、降血脂及抗腫瘤等多種生物學功能[4-5]。藍莓對土壤條件要求苛刻，適宜栽培在有機質含量高、肥沃疏松、排灌良好的酸性土壤中[6]。從氣候條件來看，我國適宜種植藍莓的地區較多，如北方沿海濕潤地區、黃河以南地區、長江流域以南地區、華南等地區，但從土壤條件來看，大部分地區都需要進行土壤酸性改良。當土壤pH 值大于5.5 時，通常就會使用硫磺粉進行土壤酸性改良[7]。但硫磺粉改良土壤酸性存在改良不均勻、容易出現死苗的問題。

皂素廢水是盾葉薯蕷在提取皂素加工過程中產生的高濃度有機廢水，具有酸度強、有機質含量高等特點[8-9]。皂素廢水中主要污染物為硫酸、葡萄糖、鼠李糖，其pH 值為1.0～2.5。本課題組利用皂素廢水強酸性、純有機無污染的特點，前期建立了使用皂素頭道廢水改良土壤種植藍莓的技術。藍莓作為一種經濟作物，在我國的栽培時間雖然短，但其發展的速度快，隨著當前社會經濟水平和人們健康意識的提高，消費者對藍莓等健康水果品質要求提升的同時，更加看重其安全性，所以本課題組進一步對該技術的重金屬安全性進行評估。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鮮黃姜、工業硫酸、酸水解物及皂素行業頭道廢水由陜西省城固縣振華生物科技有限責任公司提供；供試藍莓品種為南高叢藍莓‘綠寶石’，其1 年生營養缽苗購自山東連邦藍莓產業有限公司；硫磺粉（長征，中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司，純度99%）；濃硫酸（濟南源飛偉業有限公司，純度98%）。

1.2 試驗方法

1.2.1 皂素的生產工藝

城固縣振華生物科技有限責任公司采用的皂素生產工藝如圖1 所示。鮮黃姜經過濃硫酸酸解處理后，會產生三道廢水，其中能用于藍莓土壤酸性改良的是頭道廢水，含1%硫酸，6%～8%淀粉、單糖、雙糖等有機質，91%水。

圖1 黃姜提取皂素硫酸水解工藝路線圖

1.2.2 盆栽藍莓的定植

在25 cm×16.5 cm 的塑料花盆中，統一裝填3/4腐熟好的鋸末（pH 值6.72±0.04），分別按照以下組別設4 個處理：硫磺處理組，盆中鋸末與10 g 硫磺粉拌勻；稀釋廢水組，定植后使用pH 值4.8 的稀釋廢水澆灌鋸末；稀釋硫酸組，定植后使用pH值4.8 的稀硫酸澆灌鋸末；高劑量對照組，定植后使用pH 值4.8 的稀硫酸澆灌鋸末，稀硫酸中加入10 mg/L As 和0.1 mg/L HgSO4，加入量為農田灌溉水質標準GB 5084—2005（As≤0.1 mg/L、Hg≤0.001 mg/L）最大值的100 倍。每隔1 個月澆灌500 mL，共澆灌4 次。

將1 年生藍莓苗統一定植于上述處理組花盆中，定植時間為2019 年3 月30 日，露地統一安置，定植前使用1 000 mL 自來水（pH 值6.78±0.08）澆灌，定植后每隔5～10 d 澆灌1 次，每次500 mL，其中硫磺處理組為自來水，稀釋廢水組為pH 值4.8的稀釋廢水，稀釋硫酸組為pH 值4.8 的稀釋硫酸，高劑量對照組日常澆灌pH 值4.8 的稀釋硫酸。根據雨天和旱天情況統一縮短或延長澆灌間隔。

1.2.3 藍莓生長指標的測定

生物量的測定：將生長152 d 的藍莓植株從盆栽中完整取出，輕柔洗凈根部泥土，晾干。在鼓風干燥箱（101-3AB，天津市泰斯特儀器有限公司）中40 ℃下徹底干燥后稱重，記為植株生物量。株高的測定：取洗凈晾干后的藍莓植株，使用直尺測量根地交接處到頂部之間的距離，即為藍莓株高。根數的測定：去掉地上部分后計算根基部的根數。根長的測定：對盆栽藍莓的粗根定義為直徑≥3 mm，細根定義為直徑＜3 mm。粗根直接測量長度，細根先測量其總重量，然后選出一部分進行稱重測量長度，根據得出的長度按照重量比例換算出細根總長度，將粗根長度和細根長度合并后記為根長。根系體積的測定：使用水位取代法[10]計算根系體積。根系活力的測定：使用α-萘胺氧化法[11]測定根系活力。

1.2.4 土壤酶活力的測定

土壤脲酶采用比色法[12]進行測定；土壤蔗糖酶采用3,5—二硝基水楊酸比色法[12]進行測定；土壤磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[13]進行測定；土壤過氧化氫酶采用紫外分光光度法[14]進行測定。

1.2.5 重金屬鎘、鉛、砷、汞的測定

將待測樣品烘干后打成粉末測定其中的重金屬含量。鎘（Cd）含量的測定方法參照DB22/T 1688—2012 肥料中砷、鎘、鉛、鉻含量的測定 電感耦合等離子體光譜法[15]。鉛（Pb）含量的測定方法參照SL 327.4—2005 水質 鉛的測定 原子熒光光度法[16]。砷（As）、汞（Hg）含量的測定使用原子熒光光譜法[17]。

1.3 數據分析

試驗數據采用SPSS 22.0 軟件進行統計學分析，采用新復極差法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 皂素廢水的重金屬溯源分析

用于藍莓土壤酸性改良的是硫酸水解黃姜提取皂素工藝中產生的頭道廢水，因此可以將圖1 簡化，并做物料衡算，如圖2 所示。

圖2 皂素簡化生產工藝和物料衡算

按照圖2 的簡化生產工藝，分別測定原料和產物中的重金屬As、Hg、Pb、Cd，結果如表1 所示。由表1 可知，重金屬Pb 和Cd 含量較低，在原料和產物中均未檢出，而As 和Hg 均有檢出。其中鮮黃姜中的As 占總原料As 的41.1%，工業濃硫酸中的As 占總原料As 的58.9%，頭道廢水中的As 占總產物As 的84.1%，酸水解物中的As 占總產物As 的15.9%。說明As 的主要來源是工業濃硫酸，主要去向為頭道廢水。鮮黃姜中的Hg 占總原料Hg 的18.9%，工業濃硫酸中的Hg 占總原料Hg 的81.1%，頭道廢水中的Hg 占總產物Hg 的36.6%，酸水解物中的Hg 占總產物Hg 的63.4%。說明Hg 的主要來源是工業濃硫酸，主要去向為酸水解物。總體而言，重金屬溯源分析結果表明，工業濃硫酸是皂素生產過程中原料重金屬的主要來源。

表1 原料與產物中的重金屬含量 g

2.2 在藍莓種植中的重金屬評價

頭道廢水pH 值為0.1～0.7，應用于藍莓土壤酸性改良時，需要使用灌溉水稀釋至4.8，本試驗中稀釋倍數為75 倍。測定頭道廢水及稀釋廢水中的重金屬As、Hg、Pb、Cd 濃度，以農田灌溉水質國家標準GB 5084—2005 為參考水平，如圖3 所示。Pb 及Cd 依然未檢出，As 和Hg 是稀釋廢水中的主要重金屬，其中稀釋廢水中As 的濃度是灌溉標準上限的 2.78%，Hg 的濃度是灌溉標準上限的71.92%。該結果說明皂素頭道廢水中雖然As 和Hg的含量較高，但使用時需要稀釋75 倍，對稀釋廢水中的As 和Hg 的濃度影響較小，因此，只要是當地的灌溉水質符合農田灌溉水標準，就可以用來稀釋皂素頭道廢水。

圖3 廢水中的重金屬濃度

將種植了152 d 的藍莓植株完整取出并拍照。從表觀形態可以看出稀釋廢水組、稀釋硫酸組、硫磺處理組、高劑量對照組的藍莓植株均能夠正常生長，但高劑量對照組的主枝基部葉片有泛紅情況發生（圖版1）。測定4 組處理下的藍莓各項生長指標，結果如表2 所示。在根數、根體積和根系活力方面，4 組處理之間均沒有顯著差異，但在生物量、根長、葉片數、分枝數等指標上，硫磺處理組是其他3 組的2 倍以上，即硫磺處理組的藍莓植株長勢顯著優于其他3 組，其他3 組的藍莓植株長勢無顯著性差別。

表2 不同處理組藍莓植株生長情況

測定藍莓植株根、莖、葉3 個部分中的As、Hg 含量，結果如圖4 所示。在根中As 含量由高到低依次是高劑量對照組＞硫磺處理組＞稀釋硫酸組＞稀釋廢水組，在莖和葉中As 含量由高到低依次是高劑量對照組＞硫磺處理組＞稀釋廢水組＞稀釋硫酸組；在根和葉中Hg 含量由高到低依次是高劑量對照組＞稀釋廢水組＞硫磺處理組＞稀釋硫酸組，在莖中Hg 含量由高到低依次是高劑量對照組＞稀釋廢水組＞稀釋硫酸組＞硫磺處理組。從結果來看，藍莓植株根、莖、葉中的As、Hg 含量與土壤中的As、Hg 含量密切相關，高劑量對照組的根、莖、葉中As、Hg 含量要遠高于其他3 組，稀釋廢水組比硫磺處理組的根、莖、葉中As 含量更低、Hg 含量要略高。

圖4 藍莓植株根、莖、葉中As、Hg 的含量

檢測4 組處理的土壤酶活力，結果如表3 所示。高劑量對照組的土壤蔗糖酶活力顯著低于其他3組，說明土壤中過量的As 和Hg 會影響到土壤中的碳代謝。與硫磺處理組相比，稀釋廢水組的蔗糖酶活力、脲酶活力、磷酸酶活力要略高，過氧化氫酶活力則略有降低。

表3 不同處理組土壤酶活力 mg/g

3 討論與結論

皂素廢水作為難處理的高濃度有機廢水，一般的研究都針對其COD 值，而同時處理其中重金屬含量的研究較少，如李祥等[18]研究了微電解預處理黃姜皂素廢水的最優組合，可使COD去除率達40.2%；抗新新等[19]使用鐵碳微電解-Fenton 氧化-EM 菌處理工藝，COD 去除率為88.04%；方志斌[20]采用除硫酸鹽預處理-UASB-MBR 工業，對COD 的去除率可達92%。彭星[21]研究發現皂素行業的重金屬主要流向是皂素廢水。本試驗在對皂素頭道廢水進行重金屬溯源分析后發現，頭道廢水中的As 占總產物As的84.1%，頭道廢水中的Hg 占總產物Hg 的36.6%，且皂素廢水中的As 和Hg 主要來源于工業硫酸，若可以更換重金屬含量低的高等級工業硫酸應用于皂素生產，即可降低皂素廢水中的重金屬含量。

目前國內外對蔬菜及作物的重金屬富集特征進行了大量的研究，而對于藍莓等水果的重金屬污染研究比較少見[22]。張子木[23]對長株潭藍莓的重金屬富集特征進行了研究，無處理下藍莓As 含量為：根1.13 mg/kg、多年生莖0.58 mg/kg、1 年生莖0.55 mg/kg、葉0.28 mg/kg，Hg 含量為：根0.03 mg/kg、多年生莖0.004 mg/kg、1 年生莖0.004 mg/kg、葉0.03 mg/kg；化肥澆施處理下藍莓As 含量為：根2.11 mg/kg、多年生莖0.86 mg/kg、1 年生莖0.30 mg/kg、葉1.28 mg/kg，Hg 含量為：根0.02 mg/kg、多年生莖0.01 mg/kg、1 年生莖0.01 mg/kg、葉0.02 mg/kg。表明藍莓在施肥后重金屬含量會有所上升。

從本研究藍莓根、莖、葉中的As 含量結果來看，硫磺處理組和高劑量對照組均表現為根>莖>葉，但莖與葉含量相差不大，與張子木[23]的研究規律一致；而稀釋廢水組和稀釋硫酸組的根、莖、葉中As 含量低于硫磺處理組，但4 組處理的藍莓根、莖、葉As 含量均略高于張子木[23]的測定結果。鄭培源[24]研究發現，酸性土壤可增大汞的溶解度，使汞易于遷移、轉化及吸收。從本試驗藍莓根、莖、葉中的Hg 含量來看，4 組處理均為葉＞根＞莖，但本試驗中硫磺處理組、稀釋廢水組、稀釋硫酸組的藍莓根、莖、葉Hg 含量均低于張子木[23]的測定結果。

張文華等[25]對貴州省麻江縣6 個主要栽培區18件藍莓果實樣品中的Cr、Cu、Zn、As、Pb、Cd 的含量進行了檢測，結果表明As 污染最嚴重、Cd 污染最小，且As 的單因子污染指數最高。在本研究中發現，皂素稀釋廢水處理組的As 含量要略低于硫磺處理組，而Hg 含量要略高于硫磺處理組。梁堯等[26]認為，在眾多的重金屬元素中，對植物的毒性高低表現為Hg>As>Cd=Cu>Pb>Cr。因此，皂素頭道廢水在應用于藍莓土壤改良之前最好能使用活性炭等方式進行預處理，進一步降低重金屬As、Hg 的含量，保障藍莓種植的安全性。