CN102640647A

CN102640647A - 采用氨羧螯合剂协同高羊茅修复堆肥基质重金属的方法

Info

Publication number: CN102640647A
Application number: CN2012101348573A
Authority: CN
Inventors: 赵树兰; 多立安; 贾丽娜
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102640647B

Abstract

本发明涉及采用氨羧螯合剂协同高羊茅修复堆肥基质重金属的方法，它是在直径为6cm的培养皿中加入备好的堆肥20g，在堆肥基质中施加浓度为5-20mmol·kg^-1氨羧螯合剂；然后选择籽粒饱满的高羊茅种子，每皿50粒；将播有种子的培养皿置于实验室内萌发，每天早晚各浇水1次，经常调换各培养皿的位置，保证光照一致，培养期间光照强度为350-800μmol□m^-2□s^-1，实验室温度为16℃~24℃，相对湿度为38-55%；采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中各种重金属的含量。从本实验结果来看，高羊茅地上部，10mmol·kg^-1对Cr，15mmol·kg^-1对Cd、Cu和Zn，20mmol·kg^-1对Pb的富集最大。所以在选择NTA浓度的时候要根据不同的植物的富集重金属的不同而变化。

Description

采用氨羧螯合剂协同高羊茅修复堆肥基质重金属的方法

技术领域

本发明属于垃圾堆肥在城市草坪建植技术领域中的应用，涉及采用氨羧螯合剂协同高羊茅修复堆肥基质重金属的方法。

背景技术

近年来，由生活垃圾引发的环境污染问题已成为社会广泛关注的焦点之一。随着我国人民生活水平的日趋提高，城市生活垃圾产生量也随之增加。将生活垃圾堆肥用作草坪基质，不但可以避开食物链，同时又解决了垃圾的出路问题。

目前，我国已初步展开了将生活垃圾堆肥用于园林绿地基质或肥料的科研工作，垃圾堆肥通常以肥料的形式加入土壤，可以改善土壤性质，提高草坪草生物量、叶绿素含量等。但垃圾堆肥中含有高浓度的重金属，在其改善土壤、土壤植物和微生物的同时，也对它们产生危害。所以，提出若想将垃圾堆肥应用于实际必须去除其中的重金属的想法。垃圾堆肥施用过程中，如何防止或者减少重金属进入土壤和地下水产生，已成为要解决的一大问题。

园林绿地中的草坪植物具有生长快的特点，其多用于观赏和净化环境，若将垃圾堆肥作为草坪植物的生长基质，草坪植物会将其中的重金属吸收富集，达到减少堆肥中重金属污染深层土壤和地下水。垃圾堆肥具有良好的理化性质、丰富的养分，是替代土壤作为草坪基质的较理想材料。在我国人口众多，土地资源相对贫乏，以垃圾堆肥用作草坪基质更具有现实意义。一些草坪植物能够在重金属污染较重的基质中生长，且生长速度快、再生能力强，在化学方法和生物方法协同修复垃圾堆肥重金属中具有较大的应用价值。因此垃圾堆肥作为草坪基质的同时，其重金属又能得到草坪植物的修复，这样既增加了垃圾堆肥的应用潜力又提高了其使用的安全性。目前，我国已初步展开了将生活垃圾堆肥用于园林绿地基质或肥料的科研工作，垃圾堆肥通常以肥料的形式加入土壤，可以改善土壤性质，提高草坪草生物量、叶绿素含量等。但垃圾堆肥中含有高浓度的重金属，在其改善土壤、土壤植物和微生物的同时，也对它们产生危害。所以，提出若想将垃圾堆肥应用于实际必须去除其中的重金属的想法。垃圾堆肥施用过程中，如何防止或者减少重金属进入土壤和地下水产生，已成为要解决的一大问题。

螯合诱导修复技术”(chelate-induced phytoremediation)，即通过人工外加螯合剂使被土壤固相结合的重金属重新释放并进入到土壤中。目前常用的螯合剂可以分为3大类：一是人工合成多羧基氨基酸类螯合剂，如EDTA、DTPA、CDTA等；二是天然多羧基氨基酸类螯合剂，如EDDS、NTA；三是天然有机螯合剂，如一些小分子有机酸，包括柠檬酸、苹果酸、组氨酸、草酸等；四是无机络合剂，主要包括硫氰化物、氯化物等。

现有技术研究表明添加EDTA可以显著提高重金属在供试草坪植物中的富集量（Duo et al., 2005）。但利用EDTA协同植物修复的同时，由于EDTA以及EDTA与重金属螯合形成的复合物具有很强的溶解性和生物毒性，且在土壤中很难被光、化学物质以及生物降解，所以很可能会引起污染深层土壤及地下水污染等环境问题。但是NTA （Nitrilotriacetic acid）氨三乙酸（氨羧螯合剂），在过去50年一直被应用于除垢剂，在分析化学中用作配位滴定剂和掩蔽剂，在催化动力学分析中常作为活化剂。尽管NTA螯合能力比EDTA要弱，但是和低分子量的有机酸（柠檬酸、苹果酸等）相比，仍是一种较强的螯合剂。因此，低浓度的NTA既可以作为螯合剂促进草坪植物对重金属的吸收又不会抑制植物的生长。

发明内容

本发明公开了一种采用氨羧螯合剂协同高羊茅修复堆肥基质重金属的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）在直径为6 cm的培养皿中加入备好的堆肥20 g，在堆肥基质中施加浓度为5-20mmol·kg^-1氨羧螯合剂；其中氨羧螯合剂指的是氨三乙酸（NTA）的钠盐。

（2）选择籽粒饱满的高羊茅种子，每皿50粒；

（3）将播有种子的培养皿置于实验室内萌发，每天早晚各浇水1次，经常调换各培养皿的位置，保证光照一致，培养期间光照强度为350-800 μmol?m^-2?s^-1，实验室温度为16℃~24℃，相对湿度为38-55%；

（4）采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中各种重金属的含量。

本发明所述的的堆肥指的是：生活垃圾堆肥，风干后，过2 mm筛，备用。

本发明优选施加氨羧螯合剂的浓度为10-15mmol·kg^-1。

本发明更加优选施加氨羧螯合剂的浓度为15mmol·kg^-1。

本发明进一步公开了15-20mmol·kg^-1氨羧螯合剂在富集重金属Cd，Cr，Cu，Pb和Zn方面的应用。

本发明通过对草坪堆肥基质渗漏体系中重金属富集、淋溶等的研究，系统地探讨在NTA强化植物修复的同时重金属淋溶迁移的潜在风险，并提出相应的防治方法。

本发明更加详细的制备方法如下：

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本实验选用我国北方常见的草坪植物，高羊茅（Festuca arundinacea L.）。培养基质为生活垃圾堆肥，风干后，过2 mm筛，备用。堆肥理化性质为：pH 7.62，有机质含量12.12%，全氮5.18%，有效磷77.92 mg/kg，全钾50.83 g/kg，饱和含水量0.76 mL/g，容重0.85 g/mL；重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量分别为1.97、67.00、238.73、172.11和496.38 μg/g。

1.2 草坪植物培养

在直径为6 cm的培养皿中加入备好的堆肥20 g。选择籽粒饱满的高羊茅种子，每皿50粒，实验为3次重复。取NTA的钠盐溶于蒸馏水中分别施加在堆肥基质中，其处理水平分别为：0、5、10、15、20和25 mmol/kg堆肥。将播有种子的培养皿置于实验室内萌发，每天早晚各浇水1次，经常调换各培养皿的位置，保证光照一致，培养期间光照强度为350-800 μmol?m^-2?s^-1，实验室温度为16℃~24℃，相对湿度为38-55%。

1.3 重金属含量分析

试样采用微波快速消解系统WX-4000进行消化。地上部分：准确称取烘干至恒重的草样0.2g，先将样品放入标准罐中，加入3 mL HNO₃，控制罐中加入4 mL HNO₃，检查密闭性，采用分布消化过程，调整消解条件：第一步温度150℃，压强15 atm，时间4 min，第二步温度180℃，压强为20 atm，时间4 min，最后消化液用1%的稀HNO₃定容到25 mL。渗滤液：准备量取10ml渗滤液，加入3 mL HNO₃，控制罐中加入4 mL HNO₃，检查密闭性，采用单步运行消化，设温度150℃，压强15 atm，时间6 min，消化液用1%的稀HNO₃定容到50 mL。采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中各种重金属的含量。

1.4 数据处理

数据分析采用EXCEL 2003和SPSS 11.5分析软件进行处理：

重金属富集量=重金属浓度*生物量干重

2 结果与分析

2.1 不同浓度NTA对重金属在高羊茅地上部富集的影响

不同浓度的NTA对高羊茅地上生物量得富集见表1，从重金属在高羊茅地上部的浓度可以看出随着NTA浓度的升高，重金属浓度也呈上升趋势，但当NTA浓度到达一定限度的时候，随NTA浓度的升高，除了Pb，其它重金属浓度反而呈下降趋势。Cd，Cr，Cu，Pb和Zn富集浓度最高时，需NTA浓度分别为15，10，15，25和15 mmol·kg-1，分别比对照提高了1.0倍，48.7%，18.8倍，4.2倍和6.4倍。重金属在高羊茅体内的富集与浓度相似，体现为低浓度促进NTA促进重金属在植物体内富集，NTA浓度升高到一定程度后，除了Pb外，Cd，Cr，Cu和Zn在植物体内的富集量开始下降，重金属的富集均高于对照。但其中25 mmol·kg^-1 NTA对Cr的富集与对照比显著降低（p<0.05）。

表1 高羊茅地上部重金属浓度和富集

Figure 2012101348573100002DEST_PATH_IMAGE002

注：表中数据以平均值±标准误（SE）表示；同一列中不同字母表示在0.05水平差异显著，相同字母表示差异不显著。（以下表同）

2.2不同浓度NTA对重金属在高羊茅根部富集的影响

施用不同浓度的NTA对高羊茅根部重金属浓度和重金属的富集量影响见表2。对Cd浓度吸收最大的NTA浓度为10 mmol·kg^-1，此时对Cd的吸收比对照高出了31.6%；对Cr浓度吸收最大的NTA浓度为25 mmol·kg^-1，此时对Cr的吸收比对照高出了18.3%；对Cu浓度吸收最大的NTA浓度为20 mmol·kg^-1，此时对Cu的吸收比对照高出了1.6倍；对Pb浓度吸收最大的NTA浓度为15 mmol·kg^-1，此时对Pb的吸收比对照高出了66.2%；对Zn浓度吸收最大的NTA浓度为20 mmol·kg^-1，此时对Zn的吸收比对照高出了1.0倍。重金属在高羊茅根部的富集量同在根部的浓度趋势相似。Cd，Cr，Cu，Pb和Zn富集浓度最高时，需NTA浓度分别为5，5，15，10和5 mmol·kg^-1，施加不同浓度NTA，有的浓度间差异不显著，对于Cr的富集，NTA个浓度间与对照差异不显著（p>0.05）。

表2与表1对比可看出，重金属在根部的富集量高于在植物地上部的富集，其中均施加15 mmol·kg^-1的NTA，对Cr和Cu在高羊茅根部的富集是地上部富集的4.5倍和8.4倍。

表2高羊茅地下部重金属浓度和富集

从重金属在草坪植物根部的富集量和在地上部的富集量对比，施加NTA浓度在10mmol·kg^-1左右有利用重金属在根部的积累，施加20 mmol·kg^-1NTA有利用重金属在植物地上部的积累。

3 结论

高羊茅对重金属的富集量是重金属在草坪植物体内的浓度与生物量之和。随着NTA浓度的升高，在一定范围内重金属在其体内的浓度也增加，但是由于浓度升高，生物量随之下降，所以，重金属在植物体内的富集并不是随着NTA浓度的增加而增加。从本实验结果来看，高羊茅地上部，10 mmol·kg^-1对Cr，15 mmol·kg^-1对Cd、Cu和 Zn，20 mmol·kg^-1对Pb的富集最大；高羊茅地下部， 5mmol·kg^-1对Cd和Zn，15 mmol·kg^-1对Pb，20 mmol·kg^-1对Cr和Cu的富集最大； 10 mmol·kg^-1对Cu、Pb和Zn的富集最大。所以在选择NTA浓度的时候要根据不同的植物的富集重金属的不同而变化。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。所用到的试剂有市售。

实施例1

本实验选用我国北方常见的草坪植物，高羊茅（Festuca arundinacea L.）。培养基质为生活垃圾堆肥，风干后，过2 mm筛，备用。堆肥理化性质为：pH 7.62，有机质含量12.12%，全氮5.18%，有效磷77.92 mg/kg，全钾50.83 g/kg，饱和含水量0.76 mL/g，容重0.85 g/mL；重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量分别为1.97、67.00、238.73、172.11和496.38 μg/g。其它实施例下同。

（1）在直径为6 cm的培养皿中加入备好的堆肥20 g，在堆肥基质中施加浓度为5mmol·kg-1氨羧螯合剂即氨三乙酸（NTA）的钠盐；

（2）选择籽粒饱满的高羊茅种子，每皿50粒；

（3）将播有种子的培养皿置于实验室内萌发，每天早晚各浇水1次，经常调换各培养皿的位置，保证光照一致，培养期间光照强度为350 μmol?m^-2?s^-1，实验室温度为16℃，相对湿度为38%；

实施例2

（1）在直径为6 cm的培养皿中加入备好的堆肥20 g，在堆肥基质中施加浓度为15mmol·kg^-1氨羧螯合剂即氨三乙酸（NTA）的钠盐；

（2）选择籽粒饱满的高羊茅种子，每皿50粒；

（3）将播有种子的培养皿置于实验室内萌发，每天早晚各浇水1次，经常调换各培养皿的位置，保证光照一致，培养期间光照强度为800 μmol?m^-2?s^-1，实验室温度为124℃，相对湿度为55%；

实施例3

（1）在直径为6 cm的培养皿中加入备好的堆肥20 g，在堆肥基质中施加浓度为20mmol·kg^-1氨羧螯合剂即氨三乙酸（NTA）的钠盐；

（2）选择籽粒饱满的高羊茅种子，每皿50粒；

（3）将播有种子的培养皿置于实验室内萌发，每天早晚各浇水1次，经常调换各培养皿的位置，保证光照一致，培养期间光照强度为700 μmol?m^-2?s^-1，实验室温度为20℃，相对湿度为45%；

实施例4

（1）在直径为6 cm的培养皿中加入备好的堆肥20 g，在堆肥基质中施加浓度为10mmol·kg^-1氨羧螯合剂即氨三乙酸（NTA）的钠盐；

（2）选择籽粒饱满的高羊茅种子，每皿50粒；

（3）将播有种子的培养皿置于实验室内萌发，每天早晚各浇水1次，经常调换各培养皿的位置，保证光照一致，培养期间光照强度为600 μmol?m^-2?s^-1，实验室温度为21℃，相对湿度为40%；

Claims

1.一种采用氨羧螯合剂协同高羊茅修复堆肥基质重金属的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）在直径为6 cm的培养皿中加入备好的堆肥20 g，在堆肥中施加浓度为5-20mmol·kg-1氨羧螯合剂；

（2）选择籽粒饱满的高羊种子，每皿50粒；

2.权利要求 1所述的方法，其中的堆肥指的是：生活垃圾堆肥，风干后，过2 mm筛，备用。

3.权利要求 1所述的方法，其中施加氨羧螯合剂的浓度为10-15mmol·kg^-1。

4.权利要求 1所述的方法，其中施加氨羧螯合剂的浓度为15mmol·kg^-1。

5.权利要求 1所述的方法，其中氨羧螯合剂指的是氨三乙酸（NTA）钠盐。

6.权利要求 1所述15-20mmol·kg^-1氨羧螯合剂在富集重金属Cd，Cr，Cu，Pb和Zn方面的应用。