基于酶诱导碳酸盐沉淀的铅污染土修复_边汉亮.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 011基于酶诱导碳酸盐沉淀的铅污染土修复边汉亮1，2，段超龙1，曲肇伟3，石磊1，2，张建伟1，2(1 河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004;2 开封市特殊土改性与修复工程技术研究中心，河南 开封 475004;3 九州工程设计有限公司，河南 开封 475003)摘要:通过对人工制备重金属铅污染土开展室内修复试验，分析大豆脲酶诱导碳酸盐沉淀技术对重金属污染土的修复效果。采用 Tessier 5 步连续提取法对不同处理次数的污染土中5 种形态 Pb2+进行提取，电感耦合等离子体发射光谱仪检测，结合场发射扫描电镜、能谱仪和 X 射线衍射等微观试验，揭示大豆脲酶诱导碳酸盐沉淀技术固化处理铅污染土的修复机理。试验结果表明，通过大豆脲酶水解尿素产生碳酸根离子，能够与土壤中 Pb2+结合生成碳酸盐沉淀物，使土壤中 Pb2+可交换态含量降低了 84 19%，有效地缓解了重金属污染土的迁移性，达到固化修复的目的，为重金属污染土固化修复提供了新思路。关键词:铅污染土;大豆脲酶;脲酶诱导碳酸盐沉淀;修复机理中图分类号:X 53文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0052 05收稿日期:2022-05-18基金项目:河南省科技攻关项目(222102320355);河南省研究生教育改革与质量提升工程项目(YJS2021JD13)作者简介:边汉亮(1981 )，男，江苏丰县人，讲师，现主要从事环境岩土工程方面的教学与科研工作。Tel:13951679704;E-mail:bian2000126 com通信作者:张建伟(1981 )，男，河南鹤壁人，教授，现主要从事岩土工程和桩基工程方面的教学与科研工作。Tel:15937817971;E-mail:zjw henu edu cnemediation of Pb-contaminated Soil Based on UreaseInduced Carbonate PrecipitationBIAN Hanliang1，2，DUAN Chaolong1，QU Zhaowei3，SHI Lei1，2，ZHANG Jianwei1，2(1 School of Civil Engineering and Architecture，Henan University，Kaifeng 475004，Henan，China;2 KaifengTechnology esearch Center of Engineering on Soil Modification and estoration，Kaifeng 475004，Henan，China;3 Jiuzhou Engineering Design Co，Ltd，Kaifeng 475003，Henan，China)Abstract:In order to reveal the remediation mechanism of Pb-contaminated soil solidified by soybean urease inducedcarbonate precipitation technology，laboratory remediation experiments are carried out on artificially prepared Pb-contaminated soil The five forms of Pb2+are extracted by Tessier five-step continuous extraction method and detected byinductively coupled plasma atomic emission spectrometry(ICP-AES)Combined with field emission scanning electronmicroscopy(SEM)，energy dispersive spectrometer(EDS)and X-ray diffraction(XD)，the remediation mechanismof Pb-contaminated soil solidified by soybean urease induced carbonate precipitation technology is revealed The resultsshow that carbonate ions are generated by hydrolysis of urea with soybean urease，which can combine with Pb2+in soil toform carbonate precipitates，reduce the exchangeable content of Pb2+in soil by 84 19%，effectively alleviate themobility of heavy metal contaminated soil，which achieves the purpose of curing and repairing，and provides a new ideafor curing and repairing of heavy metal contaminated soilKey words:Pb-contaminated soil;soybean urease;urease induced carbonate precipitation;repair mechanism第 12 期边汉亮，等:基于酶诱导碳酸盐沉淀的铅污染土修复0引言土壤是保障农业和社会经济可持续发展至关重要的自然资源，是生态环境的重要保护对象。随着我国农业现代化的发展，国内粮食产量稳步提高，但存在过量使用化肥、农药等含有重金属物质的现象，造成土壤中重金属含量超标，引发农田土壤重金属污染。据相关调查，我国受重金属污染的土壤面积超过 2 000 万hm2，约占全国总耕地面积的1/5，年经济损失超过200亿元1，农田土壤重金属污染治理修复尤为必要。目前，重金属污染土常见的修复方法主要包括物理修复、化学修复和生物修复等2，但这些修复技术普遍存在修复周期长、成本高、修复效果不稳定等问题，甚至有些还会对土体产生二次污染。利用微生物诱 导 碳 酸 钙 沉 淀(Microbially Induced CarbonatePrecipitation，MICP)或 植 物 脲 酶 诱 导 碳 酸 钙 沉 淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation，EICP)技术矿化重金属离子产生沉淀的研究逐渐兴起，通过向土体中加入微生物或脲酶水解尿素产生碳酸根离子，同时在土中加入氯化钙溶液，从而对污染土中的重金属离子产生矿化或固定化作用，达到治理修复重金属污染土的效果3-4。文献 5-6 中分别利用黄色考克氏菌 C 1 和芽孢杆菌水解尿素产生的 CO2 3对重金属铅污染土进行修复试验研究，发现经处理后污染土中的 Pb2+主要以碳酸盐结合态存在。成亮等7 利用碳酸盐矿化菌株 A所产生的脲酶水解尿素生成 CO2 3，发现游离态的Cd2+能够与 CO2 3生成稳定的 CdCO3不溶晶体沉淀。对于 MICP 技术需要采用特定的产脲酶细菌，细菌的筛选、接种、培养过程较为繁琐，而植物脲酶同样可以起到分解尿素的作用，同时在植物的根、茎及种子中存在丰富的脲酶，因此 EICP 技术得到快速发展。文献 8-10 中从不同植物种子中提取出可以催化尿素水解成 CO2 3的脲酶，吴林玉等11 利用从大豆中提取的脲酶进行了 EICP 技术固化砂土试验，验证了从植物中提取脲酶的可行性。虽然 MICP 或 EICP 技术处理重金属污染土无二次污染，但在矿化重金属的过程中会生成大量碳酸钙，形成具有一定强度的硬壳层，对农作物生长发育产生影响，因此对 MICP/EICP 处理重金属污染农田土需进行一定的改进。本文提出脲酶诱导碳酸盐沉淀技术，通过从大豆中提取脲酶，利用脲酶水解尿素产生的 CO2 3与污染土中游离的重金属离子结合，形成以碳酸盐为沉淀物的稳定态结构，从而降低污染土中重金属离子的迁移性和生物有效性，达到固化修复的目的。与 MICP/EICP 技术相比，该方法无需加入氯化钙，减少了碳酸钙的生成，具有环境友好、费用低等优点，本研究对该技术处理重金属污染土的机理与处理效果进行研究，为后续该方法的推广应用提供参考。1材料与方法1 1试验土体试验土样取自开封市郊区农田土，属于典型的黄泛区粉土，土体参数如下:液限 L=25 8%，塑限 P=16 4%，塑性指数 Ip=9 4，最大干密度 dmax=1 67gcm3，最优含水率 opt=15 6%，pH=8 5。颗粒级配曲线如图 1 所示。测得土壤中铅含量为 56 mg/kg，将土样放入100 C 烘箱内烘干并用2 mm 筛去除杂质后备用。图 1试验土体颗粒级配曲线1 2大豆脲酶的制备及活性测定本试验采用的脲酶为粗酶提取法所提取的粗酶，将从市场上买来的黄豆在 50 烘箱中放置 8 h，烘干后用粉碎机粉碎成粉末状。为提高脲酶提取率，采用多批次少量放入粉碎机的方法粉碎。将粉碎后的豆粉过 2 mm 筛去除豆渣后称取 100 g 放入烧杯中，加入500 mL 纯水后用磁力搅拌器搅拌0 5 h，静置1 h 后放入温度为 4、转速 3 500 r/min 的冷冻离心机内离心15 min，离心后的上清液即为大豆脲酶溶液。为保证脲酶活性，将脲酶溶液放入 5 冰箱内冷藏，随用随取。脲酶活性与电导率的变化成正比，可通过测量溶液电导率变化值来间接衡量脲酶活性12。具体测定方法为:将 1 mL 大豆脲酶溶液与 9 mL 浓度为 1 11mol/L 的尿素混合，采用雷磁 DDB-303 A 便携式电导率仪每 5 min 测量一次脲酶-尿素混合溶液电导率变化值，共测量 3 次取变化平均值。根据下式计算大豆脲酶的活性:y=K 11 1X T式中:y 为大豆脲酶活性(mmol/(Lmin);K 为稀释倍数;X 为电导率的变化值(mS/cm);T 为时间(min)。1 3污染土的制备与固化修复所取土样为未污染土，采用人工制样的方法配制重金属污染土。按照农用地土壤铅污染风险管控制值35第 41 卷的 2 倍 2 000 mg/kg 制备污染土，称取 4 66 g 的Pb(NO3)2溶于 300 mL 去离子水中制备成硝酸铅溶液，从中取 100 mL 倒入 500 g 上述烘干的土样中，搅拌均匀，即得到含铅量为 2 000 mg/kg 的污染土。将制备好的铅污染土在室内通风良好的条件下放置 2 周风干，得到待处理的重金属铅污染土。称取上述若干份污染土试样，分为 3 组，每组设置3 个平行试样，分以下步骤进行固化修复试验:(1)将50 mL 大豆脲酶溶液和50 mL 尿素溶液混合后以拌和的方式加入土体中，拌和均匀后土体在室温条件下静置 1 周使其充分反应，待风干后对土体中Pb2+各形态含量进行检测。(2)按照相同的方法对步骤(1)中的铅污染土再进行一次修复，待风干后对土体中 Pb2+各形态含量进行检测。(3)重复步骤(1)对步骤(2)中的铅污染土再次进行修复，待风干后对土体中 Pb2+各形态含量进行检测。1 4Pb2+含量的检测通过 Tessier 5 步连续提取法对修复前和不同修复次数的铅污染土中各金属形态进行分析13，分别得到铅离子的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机质及硫化物结合态和残渣态，利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)对