菌糠生物炭对水中铜镉的吸附及污染土壤的修复效应研究

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试验选用香菇、猴头菇和平菇菌糠三种原料在500℃下高温裂解制成生物炭(LEBC、HEBC、POBC),通过水体吸附试验分析了三种菌糠生物炭对溶液中铜镉的吸附效果和吸附机理。两种供试土壤均为铜镉复合污染土壤,分别采自山西省晋中市某污灌区褐土和湖南省岳阳市湘阴县污灌区水稻土,通过盆栽试验研究了施入三种菌糠生物炭对污灌区重金属污染土壤的基础理化性质、酶活性、铜镉形态及种植油菜的生长生理特性、抗逆性指标、铜镉含量的影响。试验结果表明:(1)三种菌糠生物炭因原料不同在化学性质方面存在一定差异。在溶液初始p H 2~3时,三种菌糠生物炭对溶液中Cu2+、Cd2+的吸附量急剧增加。模型拟合结果表明,LEBC、HEBC、POBC吸附溶液中Cu2+、Cd2+的吸附过程更符合准二级动力学模型,对Cu2+、Cd2+吸附速率的大小顺序均为LEBC>HEBC>POBC。不同浓度下LEBC、HEBC、POBC吸附Cu2+的过程的符合Langmuir模型,最大吸附量依次为56.74、11.98、77.32 mg·g-1;而吸附Cd2+的过程符合Freundlich模型,最大吸附量依次为74.26、36.49、70.2 mg·g-1。LEBC在较短的时间内能达到较大的吸附量,可作为去除水体中Cu2+、Cd2+的优质吸附剂。FTIR和XRD等分析结果表明生物炭吸附Cu2+、Cd2+的机制包括静电吸附、阳离子-π作用、官能团络合及沉淀。三种菌糠生物炭经酸化处理后,对Cu2+、Cd2+的吸附效果明显下降,表明因生物炭中碳酸盐引起的Cu2+、Cd2+沉淀在吸附过程中起着十分重要作用。(2)三种菌糠生物炭均可不同程度增加褐土和水稻土的p H值、电导率、有机质、速效氮、磷、钾的含量。相比HEBC和POBC,LEBC施入土壤后对褐土和水稻土中上述指标的整体影响更明显。三种菌糠生物炭对两种污染土壤中酶活性的影响基本一致,褐土和水稻土中蔗糖酶活性均有所降低,而在褐土中变化显著;过氧化氢酶活性显著升高;脲酶活性显著升高;碱性磷酸酶活性略有升高。施入三种菌糠生物炭后,两种污染土壤的酸可提取态Cu、Cd的含量均有一定程度的下降,残渣态含量有所升高,且这种变化在水稻土中更明显,而两种污染土壤中Cu、Cd的可还原态和可氧化态均无显著变化。三种菌糠生物炭的加入促进了两种土壤中的Cu、Cd由酸可提取态向残渣态转化的过程,其中,对于Cu的这种形态转化,POBC所表现出的效果优于LEBC和HEBC;对于Cd,LEBC所表现出的效果优于HEBC和POBC。(3)施用三种菌糠生物炭能一定程度提高两种污染土壤所种植油菜的株高、鲜重和叶绿素含量,促进油菜生长发育,但在褐土中的效果不显著。其次,添加生物炭后,两种污染土壤所种植油菜的抗逆性指标发生明显变化,过氧化氢酶活性均显著升高;过氧化物酶活性均略有升高;褐土油菜中超氧化物歧化酶活性显著增加,而在水稻土油菜中显著下降;丙二醛含量均显著降低。最后,施用三种菌糠生物炭可以降低两种土壤种植油菜地上及地下部分中Cu和Cd的含量和对油菜毒性,从而促进油菜的生长发育。相比HEBC和POBC,LEBC能更好的降低油菜地上、地下部分中Cd的含量;POBC相比其他两种生物炭能更好的降低油菜地上、地下部分Cu的含量。综上所述,LEBC和POBC能有效去除水体中的Cu2+和Cd2+,可作为吸附剂用于Cu、Cd污染的水体中。三种菌糠生物炭对土壤基础理化性质、酶活性、土壤重金属形态及植物的生长、抗逆性、重金属含量的变化均表现出较好的效果,可作为土壤改良剂应用于受到Cu、Cd污染的土壤中。
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