纳米材料对镉污染土壤的修复效果的研究
作者单位：沈阳大学
学位级别：硕士
导师姓名：陈苏
授予年度：2020年
学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理]
摘 要：由于工业化城市化水平加快,带来了一系列环境问题,其中重金属在土壤环境中难以自然转变为无害物质,由此引发了粮食安全、生命安全等问题。土壤重金属污染已成为国内外学者研究的热点问题之一。近年来,如何用纳米材料修复重金属污染土壤已成为热点研究。基于文献调研,本研究选择了纳米硫化亚铁（NFeS,自制）、羧甲基纤维素稳定的硫化亚铁（CMC-NFeS,自制）和纳米羟基磷灰石（NHAP,市售）作为供试纳米材料,以重金属镉（Cd）为目标污染物,通过土壤培养实验,研究上述三种不同纳米材料在60天培养过程中对土壤重金属镉的固定能力,筛选出一种适宜的纳米材料;通过小麦幼苗实验,开展了所筛选的该种纳米材料不同使用量对小麦植物酶及土壤酶活性的影响,确定了适宜的使用量;通过盆栽实验,研究了在不同浓度镉污染土壤中施加该纳米材料,土壤pH及Eh的变化情况、油菜及叶用红菾菜对镉的吸收富集情况、土壤中微生物群落的变化情况,明确了使用该纳米材料应用于重金属镉污染土壤修复的可行性及治理效果,为发展实用、高效、安全的重金属污染土壤修复技术提供理论依据与技术支撑。通过上述实验研究,可获得以下结论:（1）对比三种纳米材料NFeS、CMC-NFeS、NHAP对土壤pH、土壤TCLP法浸提Cd浓度的影响及土壤培养60天后Cd形态分布的差异,筛选一种适宜的纳米修复材料。研究结果表明,三种纳米材料NFeS、CMC-NFeS、NHAP对土壤pH的影响范围在6.41～7.53之间,其中NHAP使土壤pH显著提高了0.6～0.86。由TCLP毒性浸出实验可知,三种纳米材料均可降低镉有效态浓度,其能力为NHAPCMC-NFeSNFeS。通过对比NFeS、CMC-NFeS、NHAP对镉形态分布的影响可以看出,三种纳米材料处理均可明显促进土壤中重金属镉的形态由交换态和碳酸盐结合态向残渣态的转化。NFeS、CMC-NFeS、NHAP处理下土壤中重金属镉交换态的比例分别为34.5%～39.5%、27.5%～36.5%、24%～28%;与其他两种处理相比,NHAP处理下交换态镉的比例较低;NFeS、CMC-NFeS、NHAP处理下土壤中重金属镉残渣态的比例分别为20.5%～24%、21.5%～29%、27.5%～30%;与其他两种处理相比,NHAP处理下残渣态镉的比例较高。这三种纳米材料对镉均具有良好的钝化、固定效果,其中NHAP效果更为突出,因此,选择NHAP作为修复重金属镉污染土壤的适宜纳米材料进行下一步实验研究。（2）以筛选获得的NHAP为供试材料,通过小麦幼苗实验,开展了不同浓度的NHAP对小麦植物酶及土壤酶活性的影响。与对照相比,NHAP的用量在0.5%、1%、2%（w/w）情况下,均能提高小麦SOD、CAT酶活性,但对小麦POD酶活性影响不明显。在NHAP用量为1%时,POD和CAT酶活性比其他用量低,说明该用量下小麦抗氧化胁迫比其他两种用量下轻微。对土壤酶活性而言,添加NHAP能提高土壤过氧化氢酶活性,在第14天脲酶活性随NHAP用量增加而升高,但其对土壤碱性磷酸酶活性影响较小。综合考虑,NHAP的用量以1%为宜。（3）开展了NHAP与油菜/叶用红菾菜联合修复不同浓度重金属镉污染土壤的治理效果及可行性研究。通过盆栽实验可知,NHAP的添加能够提高植物根际、非根际土壤pH、降低根际、非根际土壤Eh;添加NHAP使油菜、叶用红菾菜的地上部干重分别提高了0.4%～1.5%、0.7%～2.3%;降低植物体内Cd浓度,减少植物对重金属Cd的富集量,并将重金属Cd固定在土壤中。在添加Cd为0.3 mg/kg的污染负荷下,添加NHAP的油菜、叶用红菾菜处理,其植物地上部Cd浓度比未添加的处理分别降低了0.25 mg/kg和0.67 mg/kg。在添加Cd为5 mg/kg的污染负荷下,添加NHAP的油菜、叶用红菾菜处理,其总富集Cd量比未添加的处理降低了19.08%、21.64%;NHAP处理下,叶用红菾菜的总富集Cd量比油菜高31.88mg/pot。添加NHAP可以增加微生物种类的丰度和多样性,能提高土壤放线菌门、芽单胞菌门的丰度;油菜和叶用红菾菜的生长提高了变形菌门的丰度。上述研究表明NHAP在重金属镉污染土壤的治理与修复方面是可行的且具有良好治理效果。综上,本研究筛选出了一种适宜于镉污染土壤修复的纳米材料NHAP,在本实验条件下,其适宜用量为1%。NHAP对重金属镉有良好的固定能力,在土壤镉污染负荷0.3～5mg/kg下,可有效降低油菜/叶用红菾菜对镉的吸收、富集,提高微生物群落的丰度,该纳米材料应用于重金属镉污染土壤的治理与修复是可行的且具有良好效果。
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