王秋利,韓 勇

(安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院,陜西 安康 725000)

近年來,受到城市化建設(shè)的影響,礦區(qū)環(huán)境污染問題日益突出,其中以礦區(qū)重金屬污染問題最為嚴(yán)重,如砷、鉛、鎘等重金屬,在日常生活中很容易危害人體健康[1-3]。因此,急需發(fā)展可靠的礦區(qū)重金屬檢測技術(shù)。考慮到在工業(yè)生產(chǎn)中或其他途徑產(chǎn)生的重金屬會進入到礦區(qū)土壤中、水環(huán)境中,重金屬又不容易降解,存活在礦區(qū)土壤中或水體中時間較長,很容易被人體吸收,危害人體健康[4-6]。礦區(qū)重金屬檢測手段并不能杜絕重金屬中毒事件的發(fā)生,還需要修復(fù)手段對污染目標(biāo)進行處理,使其恢復(fù)到健康狀態(tài),為此,提出生物修復(fù)方法的研究[7]。

目前,在礦區(qū)重金屬污染檢測和修復(fù)的研究中,更側(cè)重成本的控制[8],逐漸從簡單的比色分析法發(fā)展到一些借助儀器的檢測方法,檢測技術(shù)逐漸從單一性向著復(fù)合性發(fā)展,結(jié)合多種技術(shù)提高檢測質(zhì)量。相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者專家們的研究,Limosani Francesca[9]等提出了一種自頂向下的方法,在pH值大于7的環(huán)境下,將氨水與富勒烯過氧化氫的羥基自由基開環(huán)進行混合,發(fā)生反應(yīng)后可以合成N-CQDs,在動態(tài)光散射以及相關(guān)設(shè)備的檢測光譜表征下,N-CQDs可以有效用于金屬離子檢測。張瑞鋼等[10]通過分析土壤物理化學(xué)性質(zhì)和重金屬形態(tài)變化,比較2種生物炭對Hg、Cd、Pb單一和復(fù)合污染土壤的修復(fù)效果,得到了生物炭在不同條件下對不同重金屬的修復(fù)性能。以上對于生物修復(fù)技術(shù)的研究,主要利用物質(zhì)的吸附性使污染物向穩(wěn)定化形態(tài)轉(zhuǎn)化,從而達到修復(fù)污染目標(biāo)。但是以上方法和成果在實際應(yīng)用上還存在一些不足,很容易造成重金屬的進一步轉(zhuǎn)移,加重環(huán)境污染。

為了快速、有效檢測礦區(qū)重金屬污染,確保生物修復(fù)效果,提出礦區(qū)重金屬污染快速檢測及生物修復(fù)方法研究。準(zhǔn)備檢測及修復(fù)試劑與儀器,利用乙酸纖維素膜制備試紙條,檢測礦區(qū)中重金屬離子含量。通過植物修復(fù)和生物炭—植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)去除土壤中重金屬離子,實現(xiàn)礦區(qū)重金屬快速檢測及修復(fù)。

1 材料與方法

1.1 檢測試劑與儀器

在礦區(qū)重金屬檢測中,檢測試紙條具有高靈敏度的優(yōu)勢,在研究中,將其與銀染法相結(jié)合,擴大信號的可視化,通過銀染信號的放大反應(yīng)達到礦區(qū)重金屬裸眼檢測的目的[11-13]。

在檢測前,準(zhǔn)備的試劑與儀器見表1和表2。

表1 準(zhǔn)備試劑Tab.1 Preparation reagent

表2 檢測儀器Tab.2 Testing instruments

使用表1中的試劑配制實驗試劑。取0.02 g雙硫腙置于氯仿溶液中,經(jīng)過超聲震蕩混合均勻,保存于棕色瓶中;將硝酸鉛烘干,適宜溫度為105 ℃,稱取0.3 g,用超純水溶解,倒入容量瓶中,加入硝酸,經(jīng)過稀釋后在4 ℃溫度下保存?zhèn)溆?取硝酸鉻0.3 g,經(jīng)過超純水溶解后倒入容量瓶中,加入硝酸,稀釋后同樣置于4 ℃溫度下保存;銀染液由還原劑和乳酸銀溶液混合制成,同時還需要制備檸檬酸緩沖液,稱取2.5 g檸檬酸和2.3 g檸檬酸鈉,加入一定比例的超純水,對其進行超聲混合,混合均勻后常溫保存[14];在配置銀染液時,將0.85 g對苯二酚加入到檸檬酸緩沖液中,經(jīng)過超聲處理后,避光保存到棕色瓶中[15-17]。在完成試劑配制后,檢測礦區(qū)重金屬。

1.2 生物修復(fù)試劑與儀器

在生物修復(fù)方法設(shè)計與研究中,使用實驗試劑配制礦區(qū)重金屬污染樣品,使用的主要試劑見表3。

表3 生物修復(fù)樣品配制主要試劑Tab.3 Preparation of main reagents for bioremediation samples

生物修復(fù)效果理化分析所用的儀器見表4。

表4 生物修復(fù)所用儀器及用途Tab.4 Instruments and uses of bioremediation

1.3 優(yōu)化檢測條件

在整個檢測過程中,吸附雙硫腙的乙酸纖維素膜與金屬離子的反應(yīng)時間是衡量絡(luò)合反應(yīng)是否完全的重要指標(biāo)。為了使其達到最好的效果,獲得最佳反應(yīng)時間,將完成制備的乙酸纖維素膜浸入到濃度相同的重金屬離子溶液中,以5 min為間隔設(shè)置5組實驗,在時間截止后,取出各乙酸纖維素膜,重復(fù)銀染反應(yīng)過程,掃描各個試紙條,分析試紙條上的灰度值和顏色變化,確定最佳時間。

在絡(luò)合反應(yīng)中,pH值對反應(yīng)效率有直接影響,合適的pH值有助于提高絡(luò)合效率,減少乙酸纖維素膜的非特異性吸附,不合適的pH值會影響絡(luò)合反應(yīng)效果,降低乙酸纖維素膜的靈敏性。為了選擇出最佳pH值,將pH值設(shè)置在2～12,統(tǒng)一反應(yīng)時間為20 min,重復(fù)上述過程,根據(jù)最后試紙條上灰度值和顏色變化確定最佳pH值。

1.4 檢測方法

利用試紙條和銀染液檢測礦區(qū)重金屬的原理是通過雙硫腙與重金屬的絡(luò)合反應(yīng),將重金屬離子的特異性絡(luò)合出來,借助銀染反應(yīng),擴大可視化信號。具體流程如圖1所示。

圖1 檢測原理示意Fig.1 Schematic diagram of detection principle

將乙酸纖維素膜浸泡在雙硫腙氯仿溶液中,靜置20 min后,取出沖洗兩遍后,將其浸泡在重金屬離子溶液中,20 min后取出,形成特異絡(luò)合物,可以看到試紙條變?yōu)榉凵?重金屬濃度越大,粉色越深[18-20]。將試紙條取出,使用超純水清洗,浸泡到Na2S溶液中,靜置15 min取出,通過硫離子與金屬離子的競爭結(jié)合,取代重金屬離子與雙硫腙結(jié)合,將乙酸纖維素膜取出,放入到超純水中,經(jīng)過超聲波清洗后取出非特異結(jié)合的Na2S,使用超純水再一次對其沖洗,結(jié)束后保存到超純水中。

1.5 生物修復(fù)方法

本文在生物修復(fù)過程中,主要利用植物修復(fù)的方法。采集15株生長蘆葦和適量的鹽地堿蓬種子,用于育苗實驗。實驗室溫度控制在20～30 ℃。首先進行植物育苗,將鹽地堿蓬種子浸泡5 h后移入土壤中培育。然后選取礦區(qū)中一定質(zhì)量的污染土壤,均勻分成10份后,置于10個同樣容量的有機玻璃柱中。經(jīng)過一段時間培養(yǎng),選取蘆葦和鹽地堿蓬幼苗各5株,移栽到10個有機玻璃柱中,并調(diào)整土壤的pH值。每隔4 d在20 cm深度處采集土壤樣品,測量36 d內(nèi)重金屬含量的變化情況。

1.6 測量與表征

通過XSAM-800型X射線光電子能譜分析儀分析土壤表面的物質(zhì)結(jié)構(gòu);利用pH-201型pH計測量土壤中的pH值,觀察pH值對修復(fù)效果的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測結(jié)果

利用乙酸纖維素膜進行重金屬污染檢測,呈現(xiàn)出的效果如圖2所示。

圖2 乙酸纖維素膜不同時期的顏色Fig.2 Color of cellulose acetate film in different periods

將通過上述過程形成的乙酸纖維素膜浸入銀染液中,在避光條件下將其放在搖床上反應(yīng)20 min,在銀染液中還原劑的作用下,出現(xiàn)肉眼可見的黑色顆粒,檢測信號放大,實現(xiàn)了信號的可視化。將乙酸纖維素膜取出,使用超純水清洗并吹干,將其放置到掃描儀上,分析乙酸纖維素膜中的灰度值大小。根據(jù)灰度值大小變化情況,確定礦區(qū)重金屬污染程度。

通過上述過程完成礦區(qū)重金屬污染的快速檢測。檢測結(jié)果顯示,雙硫腙與重金屬離子的絡(luò)合反應(yīng)完全有效,銀染反應(yīng)能夠?qū)⑿盘柨梢暬糯?使目標(biāo)達到裸眼檢測的標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)目標(biāo)樣品中不存在重金屬離子時,或者樣品中包含的金屬離子濃度在檢測限以下,銀染反應(yīng)并不會發(fā)生,即便發(fā)生催化反應(yīng),作用也非常弱,只有超出檢測限才能發(fā)生反應(yīng)。

檢測出的重金屬及其含量見表5。

表5 礦區(qū)土壤重金屬含量Tab.5 Heavy metal content of soil in mining area

2.2 生物修復(fù)結(jié)果

2.2.1 生物修復(fù)后重金屬含量變化

為測量生物修復(fù)效果,分別對5株蘆葦和5株鹽地堿蓬幼苗中土壤的重金屬含量進行檢測,檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同生物對土壤中重金屬含量的修復(fù)效果Fig.3 Remediation effect of different organisms on heavy metal content in soil

由圖3可知,隨著時間的增加,蘆葦和鹽地堿蓬對污染土壤均起到一定的修復(fù)作用。Cr含量由169.2 mg/kg降至100 mg/kg左右;Pb含量由78.4 mg/kg降至50 mg/kg左右;Zn含量由1 837 mg/kg降至800 mg/kg左右。總體修復(fù)效果,鹽地堿蓬略好于蘆葦。

2.2.2 XRD分析結(jié)果

利用X射線光電子能譜分析儀,分析重金屬土壤修復(fù)前后表征,如圖4所示。

圖4 生物修復(fù)前后XRD表征圖Fig.4 XRD characterization diagram before and after bioremediation

由圖4可知,反應(yīng)前后均存在特征峰,但反應(yīng)后的特征峰較明顯。通過XRD結(jié)果顯示,生物修復(fù)方法對去除重金屬離子效果較好。

2.2.3 pH值對修復(fù)效果的影響

利用pH計測量土壤中的pH值,獲取不同生物在不同pH值下對修復(fù)效果的影響,如圖5所示。由圖5可知,隨著pH值的增加,2種生物的重金屬離子去除率均隨之降低,但2種生物修復(fù)效果相差不大。說明pH值影響生物修復(fù)的效果。

圖5 不同pH值對修復(fù)效果的影響Fig.5 Effect of different pH values on the repair effect

綜上所述,在礦區(qū)重金屬污染快速檢測中,雙硫腙與銀染技術(shù)的結(jié)合,有助于提高礦區(qū)重金屬的快速檢測。由乙酸纖維素膜和其他溶液制備的試紙條具有高靈敏性,在樣品進入后,通過對試紙條的掃描,可以獲得目標(biāo)的灰度值和顏色變化。以此作為依據(jù),即可實現(xiàn)對各種不同的重金屬的檢測和分析,特別是在最優(yōu)檢測條件下,檢測結(jié)果與ICP-MS得到的結(jié)果十分接近,說明該檢測方法可以用于實際樣品中的礦區(qū)重金屬檢測分析。

在生物修復(fù)方法研究中,將蘆葦和鹽地堿蓬作為修復(fù)生物,證明了生物修復(fù)重金屬離子是可行的,通過實驗研究了生物修復(fù)技術(shù)對重金屬離子含量的影響,確定了生物去除礦區(qū)重金屬的可行性。

3 結(jié)語

本文針對礦區(qū)重金屬污染問題,提出了礦區(qū)重金屬污染快速檢測及生物修復(fù)方法研究,從快速確定礦區(qū)重金屬污染源到修復(fù)重金屬污染兩方面研究,研究結(jié)果如下。

(1)雙硫腙與重金屬離子的絡(luò)合反應(yīng)完全有效,銀染反應(yīng)可放大可視化信號,實現(xiàn)礦區(qū)重金屬污染的快速檢測。

(2)檢測出的重金屬離子有Cr、Pb和Zn。

(3)蘆葦和鹽地堿蓬均可修復(fù)重金屬污染土壤,鹽地堿蓬的修復(fù)效果略好于蘆葦。

(4)生物修復(fù)后,XRD特征峰更為明顯,證明生物修復(fù)技術(shù)的可行性。2種生物在不同pH值下,去除率均受到影響,但2種生物的去除率相差不大。

研究內(nèi)容雖然取得了不錯的成果,但是在未來的應(yīng)用上還有很大的進步空間。礦區(qū)重金屬污染環(huán)境比較復(fù)雜,受到多種因素影響,本文研究內(nèi)容對影響因素的分析和驗證并不全面,如溫度、濕度對礦區(qū)重金屬的影響,在以后的研究中,將從更多角度研究礦區(qū)重金屬的檢測和修復(fù)技術(shù),完善相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。