生物酶生态修复重金属污染土壤范文

伴随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染程度也正在加剧，污染面积在逐年扩大。据有关统计报道，目前，我国重金属污染土壤2000万hm2左右，每年因土壤重金属污染而造成的经济损失达100多亿元［1］。另一方面，土壤重金属污染具有隐蔽性、积累性、滞后性和长期性的特点，存在修复难度大、去除效果不理想等问题［2］。因此，重金属污染土壤修复成为环境科学研究中的热点，我国也把重金属污染列入优先控制之列［3］。在众多去污染土壤修复技术中，土壤淋洗技术被认为是一种可广泛应用的、很有发展潜力的修复方法［4］，其中研究应用较广泛的是生物表面活性剂淋洗修复技术。例如，朱清清等［2］研究了皂角苷在不同浓度、pH值条件下对土壤重金属去除影响，结果表明，当皂角苷浓度为50g/L、pH值为5.2时，土壤中Cd、Cu、Zn和Pb的去除率分别达45.6%、24.4%、19.0%和17.6%，说明生物表面活性剂对土壤重金属的去除有一定的效果，但土壤污染呈现出多样性和复合性，生物表面活性剂修复效果不理想。

生物酶是一种生物螯合剂，它具有对环境营养条件要求不高;低浓度污染物，处理更有效;在和毒物共存时能保持较高活性;在土壤中具有较大的移动性;微生物吸收有机物和重金属时需借助特定吸收机制(扩散和渗透)，而酶不需要等优点，比微生物、植物对重金属污染土壤的处理更具有优势。当酶遇到重金属时，重金属与底物竞争，重金属同时进入，与底物结合形成“酶-重金属-底物”的络合物，能降解和转化土壤中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的浓度，土壤修复效果较好［7］。利用生物酶可有效提高重金属污染土壤的处理效果，此方面研究国内外尚未见相关报道。本研究将生物酶溶液应用于污染土壤中重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Zn的淋洗、解吸、去除，以提高重金属的去除效果。论文探讨了酶的种类、酶的质量浓度、pH、反应时间等对重金属去除率的影响，并利用响应面法对去除反应条件进行优化，试图为淋洗修复重金属污染土壤提供新方法。

1材料与方法

1.1供试土壤土壤样品采自武夷山市武夷学院湖边的耕地土壤，属于粘土性土壤。样品经自然风干后，研碎，过100目尼龙筛。人工污染土壤样品:将100g土壤样品浸入500mLCuSO4•5H2O、ZnSO4•7H2O、Cd(NO3)2•4H2O、Cr(NO3)3•9H2O、NiCl2•6H2O配制的混合溶液中(该溶液含Cu100.5mg/L、Zn439.7mg/L、Cd4.8mg/L、Cr365.2mg/L、Ni128.1mg/L)，25℃恒温振荡72h，4000r/min离心除去上层清液，自然风干陈化2周，备用，即为供试土壤样品。经测试，该人工污染土壤样品pH为6.80，有机质含量为2.87%，阳离子交换容量为12.45cmol/kg，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn含量分别为2.38、93.33、279.38、148.39和89.68mg/kg。

1.2试剂与仪器试剂:α-淀粉酶，脲酶，过氧化物酶(生化试剂，上海鹤善实业有限公司);其他试剂均为市售分析纯试剂，实验用水为去离子水。仪器:AA-6300原子吸收分光光度计(日本岛津公司)，SHA-C恒温振荡箱(常州国华电器有限公司)，TDL-40B离心机(上海安亭科技仪器厂)，PB-10型pH计(德国赛多利斯集团)，AB204-S电子天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)。

1.3实验方法

1.3.1实验用酶的选用取0.6g供试土壤样品置于锥形瓶中，分别加入质量浓度为0.1%的不同酶溶液15mL，在25℃、pH4.0条件下恒温振荡12h，离心后，取上清液用火焰原子吸收分光光度法测定各重金属的含量。

1.3.2酶溶液处理重金属污染土壤各工艺条件的确定取0.6g供试土壤样品置于锥形瓶中，加入一定量的酶溶液，在不同的反应时间、pH条件下，25℃恒温振荡。离心后，取上清液测定各重金属的含量。

1.3.3酶溶液处理重金属污染土壤工艺条件的优化取0.6g供试土壤样品分别加入酶溶液15mL，根据Box-Behnken中心组合设计原理，在单因素的基础上，以淋洗液的pH、反应时间、酶质量浓度3个因素为自变量，重金属去除率为响应值，作3因素3水平的响应曲面分析实验，实验因素与水平见表1，确定土壤重金属去除的最佳工艺条件。

2结果与分析

2.1实验用酶的选用酶作为土壤的组成部分，参与土壤系统中许多重要的代谢过程，因而可用它来检测土壤中重金属的相对污染程度［8］。其反应机理是重金属与酶活性中心结合或与酶分子中的巯基、胺基和羧基的结合，从而改变酶的活性。因此，酶依靠其专一性、高效性，与重金属产生良好的络合作用，从而达到去除土壤中重金属的目的。实验选择土壤中常见脲酶、过氧化氢酶和α-淀粉酶溶液各15mL进行实验，对供试复合污染土壤样品进行处理，在25℃、pH4.0条件下恒温振荡12h，以求达到良好的去除效果和降低处理成本。由图1可知，脲酶、过氧化氢酶、α-淀粉酶对土壤中重金属的去除都有一定的效果，但效果差异显著，去除率的大小顺序为α-淀粉酶＞过氧化氢酶＞脲酶。其主要原因可能是，脲酶活性对重金属最敏感，与重金属的污染程度呈良好的负相关关系［8］，因此重金属在浓度较低时，脲酶空间结构迅速变化而失活，无法进一步络合重金属;过氧化氢酶活性对重金属Cu、Ni含量表现较敏感，故过氧化氢酶对部分重金属如Cu、Ni，络合效果差，对其他类型的重金属有一定的络合效果，去除重金属效果要好于脲酶;重金属与α-淀粉酶没有专一性对应关系，酶活性没有受到影响，对重金属有良好的络合效果。

2.2不同反应条件对重金属去除效果的影响

2.2.1pH值对重金属去除率的影响pH值对酶的生物活性会造成影响，还会对土壤中各重金属的赋存形态造成影响，是影响土壤重金属去除率的重要因素。在酸性条件下，土壤中的重金属主要以酸提取态存在;pH越低，土壤中重金属游离越多，活性越强。蒋煜峰等［9］发现，随土壤pH值增加，重金属解吸率逐渐减小，皂角苷冲洗土壤重金属的适宜pH应在4～5。实验选择pH值3.0～5.0范围内考察pH对重金属去除率的影响。由图2可知，在所研究的pH范围内，pH值低，α-淀粉酶对重金属的去除率较高，当pH为3.5时，去除率达到最大值。随着pH值继续增加，去除率降低。这种变化一方面与酶本身结构有关:在酸性条件下，α-淀粉酶分子中的巯基和羧基易分解，与重金属产生良好的络合。另一方面，与各金属的赋存形态有关:在酸性条件下，Cd、Cr2种重金属在土样中的存在形态以酸提取态(即离子态)为主，去除率高;Cu、Zn、Ni在土样中的存在形态以可还原态、可氧化态和残渣态为主，去除较困难，去除率较低。

2.2.2酶的质量浓度对重金属去除率的影响重金属在土壤中的存在状态大多数是吸附并固定在有机质和土壤粘粒上，以吸附态存在［10］。由图3可知，酶质量浓度低于0.20%时，重金属去除率随酶浓度的升高而增加。Mulligan等［11］研究认为，在重金属未与土壤分离时，酶就已经与重金属络合了，使金属从土壤上解吸下来，随着淋洗液不断的冲洗，金属就被从土壤中去除。在低浓度时，酶主要与土壤中游离的金属络合，重金属的去除率低;随着酶浓度的增大，土壤中重金属进入酶的活性中心，与酶分子的巯基、胺基和羧基结合，重金属不与土壤颗粒的重新结合，重金属的去除率也随之增加。当酶浓度超过0.20%时，与还原态、可氧化态和残渣态的各重金属的解吸与吸附达到动态平衡，重金属去除率不再发生较大变化。不同重金属去除率差别较大，可能是由于重金属的存在形态以及重金属与酶的络合能力不同造成的。

2.2.3反应时间对重金属去除率的影响由图4可知，各重金属去除率随反应时间增加而上升，在反应时间为12h时，Cd、Cr、Cu、Ni和Zn去除率分别为69.56%、58.05%、35.72%、32.67%和53.39%。随后，重金属去除率不再变化。其可能与金属离子在土壤中赋存状态、酶的传质速率机理和酶的反应机理有关。反应初期，酶分子吸附在土壤颗粒表面，重金属的去除率低;随着振荡时间增加，酶的传质速率提高，进入土壤中与重金属相结合，去除率得到提高;当酶的活性中心达到饱和，与重金属的络合反应达到平衡，重金属的去除率趋于稳定。

2.3酶溶液处理重金属污染土壤最佳工艺条件的确定

2.3.1酶溶液处理重金属污染土壤实验分析和回归方程建立(以Cd含量方差分析表为例)根据单因素实验的结果，采用统计软件Design-Expert进行实验优化设计，实验安排及实验结果见表2。由表2实验数据进行回归分析，得二次多元回归方程为。对该模型进行方差分析，结果见表3。从表3可知，模型具有高度显著性(P＜0.01)，而R2=0.9651，R2Adj=0.9203较高，可见回归方程拟合度和可信度均较高，实验误差较小，方程模拟得较好，可用于组合液去除污染土壤中Cd的实验分析与预测。通过回归模型的响应面和等高线图(见图5～图7)，能够很直接地看出反应因素之间两两交互作用对去除率的影响。从图5～图7可知，pH、反应时间、酶浓度的交互作用较显著(圆形表示二因素交互作用不显著，椭圆表示二因素交互作用显著)［15］。其中各因素在实验范围内对去除率的影响大小依次为pH(A)＞反应时间(B)＞α-淀粉酶的质量浓度(C)。这3个实验因素对去除率均产生不同程度的影响。在各因素选取的范围内，通过DesignExpert软件分析回归模型，得出Cd最优去除率的工艺参数为:pH3.5、反应时间12h、α-淀粉酶的质量浓度0.20%，Cd去除率预测值为82.172%。为检验Box-Behnken实验设计所得结果的可靠性，采用上述优化提取条件进行重复实验，得Cd去除率为82.36%，与理论预测值相比，相对误差为2.3‰，结果较理想。

2.3.2酶溶液处理重金属污染土壤实验优化结果分析本实验利用响应曲面实验分析方法还对Cr、Cu、Ni、Zn进行分析，结果表明，回归方程拟合度和可信度均较高，实验误差较小，方程模拟的较好，可用于污染土壤中Cr、Cu、Ni、Zn实验分析与预测。各因素在实验范围内对去除率的影响大小依次都为pH(A)＞反应时间(B)＞α-淀粉酶的质量浓度(C)。在各因素选取的范围内，通过DesignExpert软件分析回归模型，得出最优去除率的工艺参数也为:pH3.5、反应时间12h、α-淀粉酶质量浓度0.20%。RSM预测出来的最佳结果Cr、Cu、Ni和Zn分别为75.02%、38.38%、34.69%和57.54%。为检验Box-Behnken实验设计所得结果的可靠性，采用上述优化提取条件进行重复实验，最终Cr、Cu、Ni和Zn去除率分别为75.44%、38.34%、34.74%和57.69%，与理论预测值相比，相对误差分别为5.6‰、1.1‰、1.3‰和0.3‰，结果较理想。5种重金属去除率的大小顺序为Cd＞Cr＞Zn＞Cu＞Ni。

3讨论

不同的酶对土壤中重金属去除具有一定选择性。与重金属无专一性对应关系的酶，对重金属有良好的去除效果。α-淀粉酶是较理想的重金属络合剂，对酸提取态、可还原态和可氧化态的重金属有一定的去除效果，说明α-淀粉酶用于重金属污染的土壤的生态修复是可行的。采用α-淀粉酶溶液作为淋洗液，通过响应面进行优化得到，以pH3.5、反应时间12h、α-淀粉酶的质量浓度0.20%为最佳淋洗修复条件，Cd、Cr、Cu、Ni和Zn去除率分别为82.36%、75.02%、38.38%、34.69%和57.54%，去除率的大小顺序为Cd＞Cr＞Zn＞Cu＞Ni，此时Cd、Cr、Cu、Ni、Zn在供试土壤中含量分别由2.38、93.33、279.38、148.39和89.68mg/kg降低到0.41、23.31、172.15、96.91和38.08mg/kg。采用《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)分析可知，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn等重金属的土壤环境质量标准值经生物酶处理后分别由3级或2级，提升到2级或1级，质量标准有一定的提高。表明酶对土壤中重金属有较好的去除效果，酶是土壤的组成部分，利用酶修复重金属污染的土壤，可以降低环境风险，具有一定的应用前景。

作者：林维晟 吴海泉 胡家朋 黄雪婷 徐颖惠 单位：武夷学院生态与资源工程学院 绿色化工技术福建省高校重点实验室 福建邵化化工有限公司