几种污泥中重金属生物有效性及其影响因素的研究
2023-04-29
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维普资讯 http://www.cqvip.com 农业环境科学学报2004。23(1):115—1 18 Journal ofAgro-Environment Science 几种污泥中重金属生物有效性及其 影响因素的研究 孟昭福 ,张增强 ,张一平 ,薛澄泽 ,唐新保 (1.西北农林科技大学生命科学学院,陕西杨凌712100;2 西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100) 摘要:采用小麦幼苗法对4种污泥中重金属的生物有效性进行了研究。对不同污泥中重金属的生物有效性进行测定 的结果表明,污泥中不同重金属的生物有效性不同,cd、zn的生物有效性较高,其次为cu、Ni,Pb则为最低。从重金属向 地上部转移情况来看,cd、zn、cu较易向地上部转移,而Pb、Ni则不易,从转移的量来看,重金属转移到地上部的比例远 远高于土壤中。利用通径分析对CEC,pH、OM的3个主嘎污泥性质对5种重金属生物有效性的影响进行了分析,结果 表明,CEC、pH为主要影响因素,OM影响较小,但对于不同的金属三者作用的大小及方向不同。 关键词:重金属生物有效性;污泥;影响因素;小麦幼苗法 中图分类号:x171.5 文献标识码:A 文章编号:1672—2043(2004)01—0115—04 Bioava-Iab-lity of Heavy Metals and Affecting Factors in Sewage Sludge MENG Zhao—fu ,ZHANG Zeng-qiang ,ZHANG Yi-ping ,XUE Cheng-ze ,TANG Xin—bao (1.Life science college,Northwest Science—Technology University of Agricuhure and Forest,Yangling 7 1 2 1 00,China;2.Re- source and Environment College,Northwest Science—Technology University of Agriculture and Forest,Yangling 712100,China) Abstract:A study on bioavailability of a few heavy metals and their affecting factors in sewage sludge were conducted in the present study.To do this。several selected heavy metals were applied on wheat seedling to determine the bioavailability in 4 kinds of sewage sludge.The results showed that the bioavailability varied with the sewage sludge used,bioavailabilities for Cd and Zn were higher than others and Pb bioavailability was lowest;and Cd.Zn and Cu were easier to transfer to stem than were Pb,Ni;and the proportion transferred to stem was far higher than that in soils.The path analysis was used to evaluate the influence of sewage sludge properties, in terms of pH CEC OM,on the bioavailability.It has been indicated that pH,CEC were mainly influencing factors for the sewage sludge,but OM was feeblish,and the trends as well as the de ̄ee of impact were different for each heavy metals. Keywords:bioavailability of heavy metals;sewage sludge:affecting factor;wheat seedling method 植物所吸收的有效态重金属占土壤中重金属总 时的重金属生物有效性是在污泥与土壤综合作用下 量的百分率称为重金属的生物有效性,它能更好地表 征污泥中重金属向植物体内的转化趋势。对污泥中重 金属有效性的研究报道很多,主要是关于污泥或污泥 的结果,因此结果非常复杂。搞清污泥中重金属'的生 物有效性的作用机理和影响因素,可以调控污泥的施 用条件,为污泥的合理处置及利用提供依据,这对有 效利用废弃物资源以及提高农业环境的质量具有重 要意义。污泥中重金属生物有效性的测定的研究,目 前还未见报道。 改良后施用于土壤中对于有效性的影响…,采用浸提 法对污泥施用于土壤后的重金属有效性与重金属各 种组分关系的研究[21,土壤的重金属缓冲容量的评 价,以及其他因素对于污泥施用于土壤后重金属有 效性的影响等,都是基于污泥施用于某种土壤后进行 的重金属生物有效性的研究。由于土壤类型及其环境 条件差异很大,污泥施用后与土壤发生相互作用,此 收稿日期:2003—02—27 作者简介:孟昭福(1968~),男。硕士,副教授,现从事土壤环境化学及 保护的研究工作。E—mail:zfmeng@zyo.cn 本研究利用小麦幼苗法测定了几种污泥中重金 属的生物有效性,并对其影响因素进行了探索。 1材料与方法 1.1试验材料 1.1.1污泥 西安污水厂污泥,西安白石桥污水厂污泥,深 维普资讯 http://www.cqvip.com 1 16 孟昭福等:几种污泥中重金属生物有效性及其影响因素的研究 2004年2月 滨河污水厂污泥,天津纪庄子污水厂污泥堆肥,以上 污泥均风干,过I mm尼龙筛,性质及成分见表I、表2。 表】污泥理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the sewage sludge 注:重金属采用原子吸收法测定。 1.1.2植物种子 小麦Wheat(Triticum aestivum L.)品种:小偃22 号,来自于西北农业大学农学系标本区,千粒重为 37.9 g,发芽率92%。 I.I.3试验器皿 行,以小麦为受试植物,观察生长情况。 1.3.2污泥中重金属生物有效性测定 试验污泥用量依1.3.1结论,污泥处理为表1的 4种污泥,用石英砂补至150 g。 观测项目:Cd、Pb、Cu、Zn、Ni的生物有效性。 1.4数据处理 选用I I.5 cm×7 cm塑料盆作试验器皿,另外准 备 6 mm×65 mm玻璃管用于加水。 I.2操作步骤 方差分析及通径分析采用西北农林科技大学数 学教研室编制的“多元统计分析”软件。 种子预先进行表面消毒和催芽。称取适量污泥样 品与50 g石英砂充分混合均匀,平铺于试验器皿中, 以Neubauer法栽培小麦幼苗,在控制温度(20 oC-4-2 ℃)及光照强度和时间,培养14 d后,将器皿内幼苗 2结果与讨论 2.1污泥用量试验 表3可以看出,在14 d的时间内当污泥用量在 25~50 g范围内时,小麦幼苗生长正常,株高随污泥 用量升高而升高,根干重下降而地上部干重上升。当 带着泥沙一起移于1 mm孑L径尼龙筛上,手持幼苗.用 自来水冲去根部的泥沙,将全苗用去离子水洗净,然 后用剪刀在种子附近直接剪断。幼苗及根系在60 ̄C 分别烘干,称重。 幼苗的分析采用干灰化法,Cd、Pb、Cu、zn、Ni测 污泥用量在75~100g时,小麦正常生长受到抑制,正 常生长株数减少,至100 g污泥处理时,小麦幼苗已不 能正常生长。 从上述结果可以看出,25~50 g之间的污泥用量 表3不同污泥用量下小麦的生物量 Table 3 Biomass of wheat grown in different amounts of 定采用日立180原子吸收分光光度计测定,其中(Id、 Pb采用石墨炉法,cu、zn、Ni采用火焰法,Zeeman效 应校正背景吸收。分析过程中采取插入标准的方法进 行了分析质量控制。 1.3试验设计 sewage sludge added 下述试验各处理均设4个重复。 1.3.1污泥用量试验 采用25、50、75、100 g西安污水厂污泥,分别加入 适量石英砂,使砂+污泥总重为150 g,按操作步骤进 维普资讯 http://www.cqvip.com 科 学 学 报 ll7 笙 堂笙!塑—— 些— 1、里 是可以采用的,考虑到污泥中元素浓度较高的缘故, 故采用25 g作为幼苗法测污泥中重金属生物有效性 的处理用量。 2.2污泥中重金属生物有效性的测定 2.2.1污泥中重金属生物有效性 4种污泥中Cd、Pb、Cu、zn、Ni的生物有效性测定 结果见图1。一元方差分析表明,5种重金属的生物有 效性在4种污泥之间的差异总体上均为极显著。 芝8 蓑e 萎 z o l 2 3 4 污泥 图l小麦全苗测定污泥中重金属生物有效性 Figure l HMB determined by whole seedling of wheat in sewage sludge Cd:有效性范围为4.26%~1.45%,以西安污水 厂的污泥中为最高,而以深圳滨河污水厂为最低 Pb:有效性范围为0.517%~0.0139%,深圳滨 河污水厂最高,西安污水厂最低。 Cu:有效性范围为1.20%~0.312%,西安白石 桥污水厂最高,深圳污水厂最低。 zn:有效性范围为7.32%~0.602%,天津纪庄 子污水厂最高,而西安污水厂最低。 Ni:有效性范围为0.645%~0.105%,西安污水 厂最高,天津纪庄子污水厂最低。 比较4种污泥中的5种重金属可以看出,Cd、Zn 生物有效性较高,除滨河污水厂以外,其次为Cu、Ni, Pb的有效性最低。污泥中重金属生物有效性的测定 结果与土壤中相类似。夏增禄认为zn在土壤中的有 效性比其他元素要大[31,许多学者认为Cd在土壤中 具有有限向下移动的能力,有在表土层长期保留的性 质,而且具有较高的有效性H1。而Pb却有效性较低, 林舜华(1985)研究表明土壤中Pb只有小于1%左右 可为植物吸收。Murty,Sieghardt都发现了cd、zn均比 Pb的有效性要高 1。汪雅各(1990)研究发现青菜对 于几种重金属的富集率依次为:Cd>Zn>Cr>Ni> Cr:Hg=As。Mitchell(1978)也发现了植物累积某些 金属的次序为Zn>Cd>Ni>Cu。可以看出,无论是在 土壤中还是在污泥中,不同元素生物有效率的大小是 类似的,可见元素的性质是其生物有效性的一个重要 决定因素。 进一步将小麦幼苗分为地上部和根部考察重金 属向地上部转移的情况,表4为小麦茎部的重金属总 量占小麦幼苗所吸收的重金属总量的百分率。 表4显示,污泥中Cd、zn、Cu均较易向地上部转 移,地上部重金属占总量的40%以上,而Pb、Ni则不 易向地上部转移。从转移的量来看,重金属转移到地 上部的比例远远高于土壤中,说明污泥中的重金属其 有害程度远远高于污灌区土壤。由于重金属转移到地 上部就有进入可食用部位从而进入食物链的危险,因 表4小麦茎部的重金属总量占小麦幼苗所吸收的 重金属总量的百分率 Table 4 The ratio of heavy metals amounts absorbed by stem of wheat to that absorbed by whole seedling of wheat(%) 注:深圳滨河污水厂污泥因小麦幼苗生物量较少而未分为地上部 和根部分析。 而更应引起重视。 2.2.2重金属生物有效性与污泥性质的关系——通 径分析 不同污泥中的重金属生物有效性的变化与污泥 的性质有关。由于土壤中pH、OM、CEC是较为重要与 金属有效性有关的指标,因此我们通过通径分析来揭 示重金属生物有效性与污泥的这三种性质的关系。 以小麦全苗中Cd的生物有效性为例,表5为通 径分析表,表6为标准化线性回归结果。 通径分析结果表明,多元标准化线性回归(表6) 的复相关系数为0.937 5(极显著),决定系数r2= 0.875 5(极显著),说明回归结果是极显著有效的,通 过对pH、OM、CEC的回归系数进行的检验,结果表明 均为极显著,说明CEC、pH、OM对小麦Cd的有效性 的影响均为极显著,影响的大小及方向为CEC(正作 用)>pH(负作用)>OM(负作用)。而表观上小麦全 苗中Cd的有效性与污泥pH、OM、CEC的简单相关系 数(总影响)均为不相关,则是由于污泥pH、OM、CEC 之间均具有相关作用(相关系数为r(pH,OM)=一 0.718 1,r(pI-I,CEC)=0.9881,r(OM,CEC)=一 0.709 3),使得它们之间的作用被相互抵消了的缘 故。同样的分析我们可以得出污泥性质对于其他重金 属有效性的影响。 维普资讯 http://www.cqvip.com 1 18 孟昭福等:几种污泥中重金属生物有效性及其影响因素的研究 表5通径分析表(小麦全苗Cd) 2004年2月 低_7j,关于正作用也有报道,但目前研究对于CEC的 作用还无定论 】。本试验结果表明CEC正、负作用均 有,明显与金属种类有关,而且对于污泥中大多数金 属而言,CEC还是一项影响有效性的很重要因素。 有机质对大多数金属影响均为最小,除zn外均 为负作用,这与文献报道是相符合的。这主要是由于 有机质的络合固持作用对于重金属有效性降低具有 重大作用,其影响程度比较小,可能是由于污泥中 OM含量比较高,其变化对微量重金属有效性变化不 太敏感的缘故。但对于OM的正作用,McBridge认为 某些有机物与金属形成的有机物是易溶,它可以通过 在矿物表面的溶解作用增加土壤溶液中金属离子的 浓度,从而增大其有效性 】。 Table 5 Path analysis for Cd bioavailability determined by wheat whole seedling 注:Y即小麦全苗中cd生物有效性 表6标准化线性回归结果 Table 6 Results of standardized linear regression 3 结论 应用小麦对不同污泥中重金属的 生物有效性进行了测定,表明不同污 泥中不同重金属的生物有效性不同, Cd、Zn生物有效性较高,除滨河污水 厂以外,为Cu、Ni次之,Pb为最低,明 Cu:三者均有显著作用pH(正)>CEC(负)>OM (负); 显与污泥性质有关。从重金属向地上部转移情况来 看,Cd、Zn、Cu均较易向地上部转移,而Pb、Ni则不易 向地上部转移;从转移的量来看,污泥重金属转移到 地上部的比例远远高于土壤中,说明污泥中的重金属 其有害程度远远高于污灌区土壤。对CEC、pH、OM三 个污泥主要性质对有效性影响通径分析结果表明,对 于5种重金属,CEC、pH为主要影响因素,OM影响较 zn:三者均有显著作用pH(正)>CEC(负)>OM (正); Ni:三者均有显著作用pH(负)>CEC(正)>OM (负); Pb:pH无作用,OM、CEC有作用CEC(负)>OM (负)。 小,但对于不同的金属三者作用的大小及方向不同。 参考文献: [1】Jing J,Logon T J.Effects of sewage sludge Cd concentration on chemical 从上述通径分析结果可以看出,多元标准化线性 回归方程对小麦中5种重金属有效性均为极显著,决 定系数>77%,说明pH、OM、CEC均是污泥性质中影 响较大的3个重要因素,但对于不同的金属三者影响 的方向及大小均不相同。 extractability and plant uptake[J】.JEnvironQual,1992,21:73—81. [2 1 Sims J T Kline J S.Chemical fractionation and plant of heavy metals in sols amended with CO—composted sewage sludge[J】.J Environ Qua1. 1991,20:387—395. 从总体上看,pH、CEC对大多数金属影响较:大, 而有机质均为最小。 从方向上看,pH对Cd、Ni具有负作用,对Cu、zn 具有正作用。pH具有负作用是由于pH升高,土壤碱 性增大,金属易于生成沉淀而降低有效性,对于pH [3】夏增禄,穆从如,盂佳奇,等.cd、zn、Pb及其相互作用对烟草、小 麦的影响[J】.生态学报,1984,4(3):231—235. 【4 J Kuo S.Cd buffeting capacity and accumulation in swiss chard in SOllle sludge—amended soils[J】.Soil SciAmJ,1990,54:86—91. [5】Sieghardt H.Heavy—metal uptake and distirbution in Silene vulgaris and Minuartia verna growing on mining—dump material Containing lead and 正作用,虽有文献报道【61,但其机理未作探讨。 CEC对于有效性的影响也有正、负两种作用。对 Zinc[J】.Plant and So//,1990,l23:107—111. [6】Davis B E.WaterAir and Soil Pollution,1992,63:331. [7】鲁如坤,熊礼明,时正元.关于土壤——作物生态系统中镉的研究 [J】.土壤,1992,24(3):129—132,137. 于cd、Ni,CEC具有正作用而其余的均具有负作用。 CEC的负作用机理是由于阳离子交换容量上升,污泥 对于重金属离子吸附固持作用增大,使得其有效性降 [8】王宏康.土壤中金属污染研究进展[J】.环境化学,1991,10(5): 35—41 [9l McBride M B.Adv.Soil Sci.1989,10:1—56.