增温条件下生物炭和腐殖酸改良铜污染土壤对小麦吸持养分的影响

为了评价气候变暖条件下生物炭和腐殖酸对铜(Cu)污染土壤的改良效果,于2020年在河南省洛阳市,利用田间被动式夜间增温系统,以冬小麦为研究材料,设置了不同温度下[常温(NT)与夜间增温(HT)],Cu污染土壤中施用生物炭(CCu)、低用量腐殖酸(F1Cu)、高用量腐植酸(F2Cu)的双因素盆栽试验,研究了成熟期小麦的干物质积累与分配、氮(N)、磷(P)和铜(Cu)素的吸收利用和转运迁移规律。结果表明,田间被动式增温系统在小麦全生育期平均增温0.56℃,达到了良好的增温效果。Cu污染使得小麦的生长受到抑制,各部位生物量与总生物量显著降低22.3%~76.0%。HT处理提高了冬小麦生物量(22.3%~27.83%),一定程度缓解了Cu污染对小麦生长的抑制效应;HT处理降低了Cu污染土壤中小麦植株的N、P含量在各组织之间的变化幅度,但对平均含量无显著影响;在CK处理下,对于Cu素转运而言,HT显著提升了Cu素由地下部向地上部转运量的229.62%,且显著增加了小麦植株中N、P的积累量(11.1%~45.5%)。施用腐殖酸和生物炭均减轻了Cu污染对小麦生长的抑制作用,在总生物量中表现为F2Cu>F1Cu>CCu。施用腐殖酸(F1Cu、F2Cu)对小麦N、P积累量有提升趋势;相比Cu处理显著提升了小麦植株N积累量的22.2%~100%。添加改良剂均有利于Cu由茎向穗迁移(9.6%~79.8%),而以CCu处理对其转运的促进更加明显。综上,施用腐殖酸、生物炭均可不同程度减缓Cu污染对小麦生长的危害,有助于提升小麦抵御Cu污染胁迫的能力,但改良重金属Cu污染土壤的农业效果可能在未来气候条件下会发生改变。

微生物诱导碳酸盐沉淀修复铜污染黄土的试验研究

利用微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染场地是一种具有较大潜力和应用前景的修复技术。然而,由于在生物矿化应用于西北地区污染场地时黄土中富含的碳酸盐、各种矿物以及周围环境酸碱度(pH值)对重金属赋存形态影响甚剧,其中的内在影响机制仍有待更进一步的探究。通过一维土柱试验考虑不同Cu(II)浓度(500、2000 mg/kg和4000 mg/kg)来制备污染黄土试件,后通过注入不同体积(50m L和100m L)的细菌胶结液对其进行修复,以Tessier顺序提取、土壤pH值测量和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析不同深度土样的修复效率。结果表明,注入细菌胶结液可将可交换态的Cu转变为生物毒性更低的赋存形态(比如碳酸盐结合态Cu),然而当Cu(II)浓度较低(500 mg/kg)时,未见类似的Cu赋存形态转变。因为土柱不同深度土样Cu赋存形态的转化与周围环境pH值紧密相关,且pH值与注入细菌胶结液的体积呈正比关系,碱性环境进一步促进了Cu和黄土中矿物的配位吸附,但是当碱性环境进一步提高时,修复效率因铜氨络合物的生成而显著降低。这些发现强调了将微生物诱导碳酸盐沉淀(microbially induced carbonate precipitation,MICP)技术应用于铜污染场地复原治理的潜力。

基于16S rRNA研究铜污染对土壤细菌群落、抗生素抗性基因及基因转移的影响

对经0、200、400 mg·kg^(-1)Cu^(2+)处理的3个种植池土壤分别采样,并对所有样品进行16S rRNA高通量测序。结果表明:铜污染改变了土壤中的细菌群落结构,抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)与基因水平转移(horizontal gene transfer, HGT)相关基因的丰度随Cu^(2+)浓度的升高而增加。富集的抗性基因大多为多药耐药基因。这表明铜胁迫会改变土壤中细菌群落结构,促进HGT,同时使ARGs富集。

基于铜污染太湖底泥的真空电渗脱水去污电极材料特性试验研究

真空电渗法能够实现重金属污染底泥脱水去污一体化处理,本文通过自制真空电渗一体化室内模型试验系统,从排水量、沉降、电流、有效电势、污染物去除率、能耗等方面,对EKG、石墨、铝、铁、铜等五种材料作为电极在真空电渗方法处理铜污染太湖底泥过程中的表现进行分析。结果表明:选用铜作为电极材料具有最好的脱水效果但对铜污染去除效果较差,而选用EKG作为电极则具有最好的铜污染去除效果,且脱水效果仅次于铜,说明EKG材料在脱水去污一体化处理中的优越性。当选用金属作为电极材料时,阳极的电极腐蚀较为严重,很大程度上影响处理过程中真空电渗各项参数和处理效果。介入真空压力后,改变了传统电动修复过程中有效电势持续衰减的趋势,使有效电势在处理中后期出现回升,且回升程度受电极材料变形协调能力的影响。

内生贪铜菌的分离鉴定及其对铜污染含羞草生长的影响

【目的】研究贪铜菌及其与含羞草(Mimosa pudica)形成的共生体对重金属铜污染的抗性,为重金属污染环境的微生物修复提供参考,丰富功能菌株资源库。【方法】自含羞草根瘤中分离得到菌株HXC-8,扩增该菌株的16S rDNA序列,对其进行鉴定,并对其进行生理生化特性测定,研究菌株HXC-8对重金属铜的耐受性及去除率。此外,设置接菌组(含羞草种子在HXC-8菌悬液中浸泡6 h、自然阴干1 h)和未接菌组(含羞草种子在蒸馏水中浸泡6 h、自然阴干1 h),将2组含羞草种子在Cu^(2+)质量浓度分别为0,50,100,150,200,250,300,350,400 mg/L的混合营养液中培养,分析菌株HXC-8对铜胁迫下含羞草种子萌发和幼苗生长的影响。【结果】16S rDNA基因序列分析结果显示,菌株HXC-8为贪铜菌属(Cupriavidus sp.)细菌,将其命名为“贪铜菌HXC-8”。生理生化特性测定结果显示,贪铜菌HXC-8为革兰氏阴性菌,能分泌活性较高的H_(2)O_(2)酶和淀粉酶,不产生纤维素酶,不适合在肉汁培养基上生长,在糖代谢过程中无混合酸发酵,属于快生型内生菌。随着Cu^(2+)质量浓度的升高,贪铜菌HXC-8的生长受到了抑制,该菌对Cu^(2+)的耐受量是0~150 mg/L。当Cu^(2+)质量浓度为25~150 mg/L时,随着菌液中Cu^(2+)质量浓度的增大,贪铜菌HXC-8对铜的去除率逐渐降低,其中Cu^(2+)质量浓度为25 mg/L时,贪铜菌HXC-8对铜的去除率最高,为97.93%。在0~400 mg/L Cu^(2+)胁迫下,随Cu^(2+)质量浓度的升高,未接菌组和接菌组含羞草种子萌发率均无显著变化,但种子活力指数明显下降;未接菌组和接菌组含羞草幼苗鲜质量、根长、茎长及株高均明显降低。当Cu^(2+)质量浓度为0~300 mg/L时,接菌组与未接菌组含羞草幼苗鲜质量、根长、茎长、株高均无显著差异;当Cu^(2+)质量浓度为350~400 mg/L时,接菌组幼苗以上指标均明显大于未接菌组。【结论】贪铜菌HXC-8对铜具有一定的耐受性,能够降低环境中游离态的Cu^(2+),可减缓重金属铜对含羞草生长的胁迫。

夜间增温与铜污染对麦田土壤无机氮库的影响

基于夜间增温(设增温、常温两个水平)与铜污染[设CK(6 mg·kg^(-1))、LP(43 mg·kg^(-1))、MP(155 mg·kg^(-1))、SP(209 mg·kg^(-1))4个梯度]复合因素的7 a旱地定位试验,结合室内20℃和30℃下恒温培养91 d,分析了麦田土壤硝态氮、铵态氮和无机态氮含量的变化及其稳定特征。研究结果表明:土壤硝态氮、铵态氮和无机态氮随着土壤中铜含量的增加均表现为先增后降趋势,夜间增温下CK土壤硝态氮和无机态氮含量分别显著降低10.8%和5.7%,在LP、MP处理下硝态氮含量分别显著下降17.4%、15.2%,但在SP处理下土壤硝态氮、铵态氮分别显著增加6.9%和15.1%,增温与铜含量对土壤无机态氮和硝态氮的影响呈现显著的交互效应。20℃和30℃恒温培养使无机态氮含量增加1.6~4.6倍、铵态氮含量增加5.2~13.3倍,却使硝态氮含量减少40.3%~65.1%,20℃比30℃恒温培养后土壤中有较高的无机态氮、铵态氮含量和铵/硝比。夜间增温使土壤净氮矿化作用、氨化作用的Q_(10)值均有所提高,但硝化作用的Q_(10)值显著降低16.8%,适当的铜含量(LP:43 mg·kg^(-1))将加快土壤氮的氨化、矿化和硝化速率。因此,夜间增温提高了旱地麦田土壤氮矿化作用温度敏感性,降低了无机态氮库稳定性,土壤铜污染与土壤氮库转化和增温响应的关系具有浓度效应。

溶磷菌肥联合构树修复铜污染土壤效应研究

【目的】旨在探究施加溶磷菌肥联合构树对铜污染土壤的修复效果,为土壤铜污染的改良及修复提供理论依据及技术支持。【方法】采用江西德兴铜污染土壤为研究对象,以毛竹林地筛选出的伯克霍尔德菌(Burkholderia)为微生物菌剂,制成溶磷菌肥,通过土壤熟化试验,设置对照(CK)、生物制剂(SW)、溶磷菌肥(JF)3个处理,测定土壤pH、有机质、有效铜含量指标,探究溶磷菌肥对土壤有效铜含量的影响;以1年生构树(Broussonetia papyrifera)盆栽苗为供试植物进行盆栽试验,测定构树生长特性、铜积累量等指标,探究溶磷菌肥对构树铜富集特性及对铜污染土壤修复效果的影响。【结果】溶磷菌肥能改良土壤酸碱度,提高土壤有机质;同时活化土壤重金属铜能力突出,有效铜含量较对照处理提高9.26%~38.04%;生物制剂对土壤pH、有机质、有效铜影响不显著。两种处理均能提高构树生物量,菌肥促生效果更显著,地上、地下部生物量较对照处理分别提高91.44%~345.85%、156.58%~306.50%。生物制剂可促进无铜、低铜污染中构树转移能力,提高构树地上部铜富集能力;菌肥能增强构树根部富集能力,促进构树整体富集铜能力,提高构树修复效率,同时菌肥联合构树处理下铜污染土壤全铜含量较修复前降低10.16%~13.12%,对土壤铜的去除效果显著高于对照、生物制剂处理,可与构树联合达到修复土壤铜污染的目的。【结论】生物制剂、溶磷菌肥均能促进构树对铜的富集,但溶磷菌肥联合构树对土壤铜污染的修复效果优于生物制剂,对土壤铜污染的修复有重要的理论和实践意义。

铜污染土壤中植物修复技术的应用研究进展

本文论述了铜污染土壤中铜元素的不同存在形态以及铜在土壤—植物系统中的迁移累积,介绍了铜污染土壤的植物修复技术,包括植物降解、植物固定、植物吸收、植物修复强化技术等,以期为铜污染土壤的植物修复策略选择以及技术强化研究提供参考。

电石渣-稻壳灰固化铜污染土抗压强度及环境特性研究

为解决铜污染土劣化土体强度及破坏生态环境等问题,提出利用电石渣(CCR)和稻壳灰(RHA)2种固体废弃物对重金属铜污染土进行固化/稳定化。基于无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验(TCLP)及微观结构分析,研究不同固化剂配比、龄期及污染物浓度等因素对固化土抗压强度和浸出性影响规律,并分析其微观结构变化。研究结果表明,电石渣−稻壳灰可以显著提升污染土强度和降低铜浸出率,固化前期电石渣−稻壳灰配比为3︰7时固化强度最高,当养护龄期为60 d时,固化剂配比为5︰5时提高固化样力学效果最优,且抗压强度随铜含量增加而先略有升高后大幅降低,高铜含量对固化土强度劣化明显。当初始铜含量为10000 mg/kg以下时,固化后铜浸出浓度低于安全浸出标准。固化剂配比对铜离子固化效果在低初始铜含量下无明显差异,在高初始铜含量下,电石渣和稻壳灰配比为4︰6固化效果更优。经固化剂处理后污染土pH值显著增大,且随着pH升高,浸出浓度呈现先减小后增大的趋势,与氢氧化铜理论溶解度曲线趋势大致相同。电石渣−稻壳灰固化污染土主要产物呈现为硅酸钙水合矿物,有利于降低铜的浸出率,填充土壤孔隙,提高骨架结构,对铜离子具有吸附和离子置换作用。

固废基材料固化铜污染土的强度及浸出特性

为研究工业固废“赤泥、碱渣、高炉矿渣”作为复合固化剂固化重金属污染土的强度及固化效果,通过无侧限抗压强度试验、冻融循环试验以及毒性浸出试验,研究了不同龄期、铜浓度、掺量比、冻融循环周期下固废基材料固化铜污染土的强度变化及固化效果。结果表明:固化土强度随着龄期增长而增加,随着铜浓度升高而降低;掺量比G5S3R2养护28 d后,强度为1279 kPa,整体优于G5S2R3、G2S1R1且强度特性变化稳定;强度随冻融循环次数增加而逐渐降低,冻融循环初期(4次),强度折损最大,强度折损率高达40%;掺量G5S3R2固化铜离子浸出浓度值均低于G5S3R2和G2S1R1,铜浓度越高,差异越明显,浸出率均达到99%,且远低于标准限值100 mg/kg。

炉渣-粉煤灰地聚合物固化铜污染土

利用低钙粉煤灰、炉渣为原料制备的炉渣-粉煤灰地质聚合物(BA-FAG)作为固化剂,开展铜污染土的固化试验研究。通过无侧限抗压强度试验和毒性浸出试验,探讨了养护龄期、固化剂掺量及初始铜离子浓度对BA-FAG固化铜污染土效果的影响,并利用X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子能谱(XPS)分析等手段进行了表征。结果表明,增大固化剂掺量及养护龄期,可以提高BA-FAG固化铜污染土的无侧限抗压强度(UCS),以及减少铜离子浸出,而污染土中初始铜离子浓度与固化土的强度负相关,并与毒性浸出浓度正相关;掺入20%和30%的BA-FAG可分别固化浓度不超过6000与10000 mg/kg的铜污染土,固化土28 d的UCS值分别不低于0.358和0.457 MPa,且在酸性和中性淋滤下毒性浸出浓度均低于100 mg/L;重金属铜在被BA-FAG物理封存过程中主要以Cu^(2+)离子和Cu(OH)_(2)沉淀的形式存在。

羟基磷灰石改性烟草秸秆生物炭钝化修复土壤镉、铜污染

以烟草秸秆为材料,在高温限氧条件下制备成生物炭(BC),同时将纳米羟基磷灰石(nHAP)负载到烟草秸秆生物质表面,制成纳米羟基磷灰石改性生物炭(HBC),通过多种表征手段探究了生物炭改性前后官能团的变化,并研究了BC和HBC对土壤中重金属镉、铜的钝化效果。结果表明,经纳米羟基磷灰石改性的烟草秸秆生物炭,能显著增加其表面磷基、羧基等含氧官能团的数量。将这2种生物炭分别以1%、2%和3%的比例投加到污染土壤中对土壤进行钝化修复,修复后土壤中Cd和Cu有效态含量降低幅度均分别达30%、40%以上,且Cd和Cu有效态含量降低幅度均随生物炭投加量的增加而增加。纳米羟基磷灰石改性烟草秸秆生物炭可以有效钝化土壤中的Cd和Cu,其中对HBC-3%土样的钝化效果最好。本研究结果可为烟草秸秆的高效利用提供新方法,为磷酸盐修复土壤材料的开发提供参考。

生物炭和猪粪肥对铜污染土壤中蕹菜生长及铜形态的影响

采用盆栽试验研究了5%质量的生物炭、5%猪粪肥单独或联合施用于外源Cu污染(0、200、400 mg·kg^(-1))土壤,对蕹菜生长和5种形态Cu含量(Tessier提取法)的影响。结果表明:在养分含量不高的Cu污染红壤中,施用猪粪肥能够显著提高蕹菜生物量(平均比CK提高56.4%),并促进蕹菜对Cu的吸收和累积;施用生物炭能降低蕹菜含铜量(平均比CK降低21.1%);单施猪粪肥或联合施用(5%猪粪肥+5%生物炭)的蕹菜含铜量比对照(CK)分别增加了40.2%、31.7%(200 mg·kg^(-1))和27.5%、38.8%(400 mg·kg^(-1));未添加外源Cu污染时,土壤中铜的有机结合态>铁锰氧化态>碳酸盐结合态>可交换态;各形态Cu含量随处理不同差异显著,其中单施猪粪肥的土壤中可交换态和有机物结合态Cu、单施生物炭的土壤中有机物结合态Cu、二者混施的土壤中碳酸盐结合态和有机物结合态Cu与其他形态Cu含量相比均有明显增长的趋势。联合施用猪粪肥及生物炭处理的蕹菜生物量虽比单施猪粪肥的蕹菜生物量略有降低,但与单施猪粪肥相比,钝化土壤重金属的作用明显。

丛枝菌根真菌(Glomus caledonium)对铜污染土壤生物修复机理初探

利用盆栽试验,研究了丛枝菌根真菌(Glomuscaledonium)在不同程度铜污染土壤上对玉米苗期生长的影响。结果表明,即使在土壤施铜量达150mg/kg时,菌根真菌对玉米仍有近55%的侵染率;接种菌根真菌,能显著促进玉米根系的生长。菌根玉米的根系生物量和根系长度,平均较未接种处理分别提高108 4%和58 8%;接种处理的植株地上部生物量达到每盆(3株)10 58g,显著高于不施铜的非菌根玉米。这些结果表明,丛枝菌根真菌对铜污染具有较好的抗性;并且由于菌根的形成,使宿主植物明显地改善了对磷的吸收和运输,并能通过抑制土壤酸化、降低土壤可溶态铜的浓度等机制,增强宿主植物对铜污染的抗(耐)性。在150mg/kg施铜水平时,与非菌根玉米相比,菌根玉米地上部和根系铜浓度分别降低24 3%和24 1%,吸铜量分别提高了28 2%和60 0%,表明菌根植物对铜污染土壤具有一定的生物修复作用。

土壤铜污染对水稻产量形成的影响:5年定位试验

2006年选用清洁粘质壤土(对照,铜浓度32mg.kg-1)制备200mg.kg-1和400mg.kg-1铜污染土壤,在土培池群体栽培条件下,以"矮仔占"和"两优培九"为供试材料,进行持续5年的长期定位试验,研究水稻产量的年度变化规律及其可能原因。2007—2010年的测定结果表明:200、400mg.kg-1铜处理使前两年水稻成熟期平均分别推迟2～5d和6～7d,但后两年无明显变化。土壤铜污染抑制水稻分蘖的发生,抑制程度逐年减小,两品种趋势一致。200、400mg.kg-1铜处理使2007年水稻产量分别平均减少17%、24%,随着时间推移减产幅度明显下降,后两年处理间没有差异,两品种趋势一致。铜污染条件下水稻减产主要与单位面积穗数和每穗颖花数减少有关,而结实率和千粒重均无显著变化。相关分析表明,水稻成熟期土壤可交换态铜浓度与铜胁迫下对应生长季水稻抽穗和成熟期推迟的天数以及茎蘖发生、单位面积穗数、每穗颖花数和产量的下降幅度均呈显著或极显著正相关。以上结果说明,土壤铜污染抑制水稻分蘖的发生和生长,使单位面积穗数和每穗颖花数下降进而使水稻减产;土壤铜污染对水稻生长和产量的影响逐年减小,这可能与土壤中可交换态铜含量持续降低有关。

果园土壤铜污染状况及其对作物生长的影响

调查了由于长期使用铜制剂农药波尔多液,铜在果园土壤中的残留积累状况;并用采自果园的铜污染土壤进行盆栽试验,研究了铜对作物的危害影响。结果表明,一些果园地区由于长期使用波尔多液,土壤铜含量严重超标。果园土壤一旦遭受铜污染,将造成持久性影响,因此建议要逐步限制或禁止使用波尔多液,用新型农药代替波尔多液。

德兴铜矿铜污染状况调查及植物修复研究

铜是生命必需的营养元素,适量的铜对人和动植物都是有益的,但过量的铜对生物的生长发育会造成危害。受重金属污染的水体、土壤或是富含重金属铜的矿区、尾矿堆积区对生态环境会造成很大的破坏。2003年夏,课题组成员对江西德兴铜矿采矿区、尾矿堆积区、生活区以及下游河流大圬河、乐安河的水域、土壤进行了铜污染状况的调查,并且检测了矿区周围40余种优势植物体内积累的铜含量。分析表明,矿区铜污染极为严重,土壤中铜含量平均高达186mg/kg,大圬河河水铜含量在15～30mg/L之间,底泥的铜含量在500～9000mg/kg之间,乐安河的底泥铜含量达500m/kg。经对植物体内铜含量的测定,筛选出16种植物铜的积累量在100mg/kg以上,这些植物可用于对土壤和水体进行铜污染的植物修复技术的研究。

睡莲、梭鱼草对铜污染水体的修复效果研究

对水生植物睡莲(Nymphaea spontanea)、梭鱼草(Pontederia cordata)在5、15和25mg/L铜(Cu)质量浓度下的水体修复效果及生物富集作用进行了试验研究。结果表明,在实验条件下,30d后睡莲和梭鱼草对Cu全量的去除率分别为89%和58%。2种植物都能够用于修复Cu污染水体,且睡莲的修复效果和根部的Cu富集能力显著高于梭鱼草。初始浓度、修复时间及其交互作用对水体中Cu的去除具有极显著差异。植物鲜重增长率、修复效果、生物富集系数均随修复时间的延长和初始浓度的减小而增加。Cu溶解态及其全量具有较为一致的修复规律,去除率与修复时间呈高度相关的线性关系。今后应进一步探讨植物种植密度、修复时间和初始浓度对净化效果的综合影响。

超积累植物修复铜污染土壤的研究现状

铜是植物必需的营养元素,但是过量的铜会严重影响动植物的生长,随着现代工农业的发展,铜已经成为了我国重金属污染土壤中主要的污染元素之一。在污染土壤的修复措施中,植物修复是一种绿色技术,具有传统土壤治理方法所无法比拟的优点,也是现今国际环境修复的热点和前沿领域。近年来,我国铜污染土壤的植物修复研究发展很快,发现了海州香薷、鸭跖草、蓖麻等铜超积累植物,同时有机酸、耐铜微生物也能加强超积累植物的修复作用。综述了植物修复的一般原理,介绍了现今研究较多的超积累植物对铜的富集效果,超积累植物对铜的耐性及解毒机理以及其他因素的强化作用。

中国近海和河口环境铜污染的状况

我国铜消费量已稳居世界前列,但随之而来的是铜带来的环境污染压力。铜污染问题不但在内陆环境逐渐突出,而且在近海和河口环境也日趋严重。通过分析近年来发表的我国近海河口海水、沉积物、牡蛎的铜含量数据,评估我国近海和河口环境的铜污染现状。数据显示,我国近海和河口环境大部分地区铜污染水平较低,但存在个别污染严重的区域。沉积物柱状样的数据显示,我国近海河口环境铜污染水平在过去几十年中呈逐渐上升趋势。铜污染已经开始威胁我国近海和河口环境的健康发展。"蓝牡蛎"和"绿牡蛎"是我国近海河口生物受铜污染影响的一个典型例子。多地发现"蓝牡蛎"的现象印证了铜污染源在近海河口环境普遍存在的观点。牡蛎受重金属污染而变色是一个值得研究的污染现象,它包含了复杂的生物学和生态学因素。本文探讨了"蓝牡蛎"和"绿牡蛎"形成的机制。