γ-聚谷氨酸改性生物炭对镉污染土壤的修复作用

doi:10.15933/j.cnki.1004-3268.2024.08.008

摘要/Abstract

摘要： 为了强化生物炭对镉污染土壤的修复作用，采用γ-聚谷氨酸对玉米秸秆生物炭进行活化改性，采用扫描电镜和红外光谱对γ-聚谷氨酸改性生物炭的结构进行表征，通过模拟土壤镉污染试验，探究γ-聚谷氨酸改性生物炭对Cd²⁺的钝化效果。结果表明，γ-聚谷氨酸改性生物炭的羟基和羧基官能团数量显著增加。与施加1.0%原始生物炭处理相比，在镉污染土壤中施加等量的γ-聚谷氨酸改性生物炭处理，其土壤的阳离子交换量、有机质含量及土壤磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶的活性均显著提高，分别提高9%、17%、18%、15%、20%；土壤中残渣态Cd的含量增加15%，弱酸可提取态Cd的含量降低27%，土壤中Cd²⁺的生物有效性明显降低；种植的小白菜根和叶中Cd²⁺含量显著降低。综上，γ-聚谷氨酸改性可以提高生物炭钝化土壤中镉的能力，γ-聚谷氨酸改性生物炭在镉污染土壤修复中极具潜力。

关键词: 镉, 土壤修复, 改性生物炭, γ-聚谷氨酸, 生物有效性

Abstract: In order to strengthen the remediation effect of biochar on cadmium‑contaminated soil，γ‑polyglutamic acid was used to activate and modify corn straw biochar. The structure of γ‑polyglutamic acid modified biochar was characterized by scanning electron microscopy and infrared spectroscopy.The passivation effect of γ‑polyglutamic acid modified biochar on Cd²⁺ was investigated by simulating soil cadmium pollution test.The results showed that the number of hydroxyl and carboxyl functional groups of γ‑polyglutamic acid modified biochar increased significantly.Compared with the application of 1.0% original biochar， applying equal amount of γ‑polyglutamic acid modified biochar in cadmium‑contaminated soil significantly increased the soil cation exchange capacity，organic matter content，soil phosphatase，catalase and urease activities by 9%，17%，18%，15% and 20%，respectively.The content of residual Cd in soil increased by 15%，the content of weak acid extractable Cd decreased by 27%，and the bioavailability of Cd²⁺ in soil decreased significantly.The content of Cd²⁺ in roots and leaves of Chinese cabbage decreased significantly. In summary，γ‑polyglutamic acid modification can improve the ability of biochar to passivate cadmium in soil，and γ‑polyglutamic acid modified biochar has great potential in the remediation of cadmium contaminated soil.

Key words: Cadmium, Soil remediation, Modified biochar, γ?polyglutamic acid, Biological effectiveness

中图分类号:

S156.4

李志娟, 贺文星, 张来星, 刘铮, 孙丹, 徐淑霞. γ-聚谷氨酸改性生物炭对镉污染土壤的修复作用[J]. 河南农业科学, 2024, 53(8): 70-78.

LI Zhijuan, HE Wenxing, ZHANG Laixing, LIU Zheng, SUN Dan, XU Shuxia. Remediation of Cadmium Contaminated Soil by γ‑Polyglutamic Acid Modified Biochar[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2024, 53(8): 70-78.

参考文献

［1］石航源，王鹏，郑家桐，等.中国省域土壤重金属空间分布特征及分区管控对策［J］.环境科学，2023，44（8）：4706‑4716.

SHI H Y，WANG P，ZHENG J T，et al.Spatial distribution of soil heavy metals and regional control strategies in China at province level［J］.Environmental Science，2023，44（8）：4706‑4716.

［2］LIN C L，CHEN Y F，FANG S Z，et al.Cadmium contamination of Chinese agricultural soils［J］.Fresenius Environmental Bulletin，2022，31（3）：2466‑2473.

［3］柴冠群，周礼兴，秦松，等.黔西北镉污染耕地安全生产四季豆品种筛选［J］.河南农业科学，2023，52（6）：51‑60.

CHAI G Q，ZHOU L X，QIN S，et al.Screening of kidney bean varieties for safe production in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2023，52（6）：51‑60.

［4］中华人民共和国生态环境部. 生态环境部召开4月例行新闻发布会［EB/OL］.（2022‑04‑22）［2024‑01‑01］.https：//www.mee.gov.cn/ywdt/xwfb/202204/t20220422_975721.shtml.

Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China. Ministry of Ecology and Environment holds April regular press conference on levy［EB/OL］.（2022‑04‑22）［2024‑01‑01］.https：//www.mee.gov.cn/ywdt/xwfb/202204/t20220422_975721. shtml.

［5］管伟豆，郭堤，王萍，等.北方农田镉污染土壤玉米生产阈值及产区划分初探［J］.环境科学，2021，42（12）：5958‑5966.

GUAN W D，GUO D，WANG P，et al.Investigations on the derivation of safe maize‑producing threshold of soil Cd content and on classification of Cd contaminated maize‑producing areas in Northern China［J］.Environmental Science，2021，42（12）：5958‑5966.

［6］LIU H Y，LING Y，LIU N，et al.The determination of regulating thresholds of soil pH under different cadmium stresses using a predictive model for rice safe production［J］.Environmental Science and Pollution Research，2022，29（58）：88008‑88017.

［7］韦思业，宋建中，彭平安，等.不同温度制备生物炭的热解产物特征［J］.地球化学，2019，48（5）：511‑520.

WEI S Y，SONG J Z，PENG P A，et al.Characterization of pyrolysis products in biochar prepared at different temperatures［J］.Geochimica，2019，48（5）：511‑520.

［8］任洁青，王朝旭，张峰，等.改性稻壳生物炭对水中Cd²⁺的吸附性能研究［J］.生态与农村环境学报，2021，37（1）：73‑79.

REN J Q，WANG C X，ZHANG F，et al.Adsorption of Cd²⁺ from aqueous solution by modified rice husk‑derived

biochars［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2021，37（1）：73‑79.

［9］王一锟，梁婷，周国朋，等.不同生物质炭的镉吸附特征及对云南土壤镉污染的调控效应［J］.土壤学报，2024，61（1）：151‑162.

WANG Y K，LIANG T，ZHOU G P，et al.Cadmium adsorption characteristics of different biochar and their regulatory effects on soil Cd pollution，in Yunnan［J］.Acta Pedologica Sinica，2024，61（1）：151‑162.

［10］李正龙，周咏春，李海波，等.巯基改性生物炭对镉污染土壤的稳定化效果［J］.环境工程，2022，40（9）：143‑149.

LI Z L，ZHOU Y C，LI H B，et al.Stabilization of cadmium‑contaminated soil by sulfhydryl modified biochar［J］.Environmental Engineering，2022，40（9）：143‑149.

［11］RAJAPAKSHA A U，CHEN S S，TSANG D C W，et al.Engineered/designer biochar for contaminant removal/immobilization from soil and water：Potential and implication of biochar modification［J］.Chemosphere，2016，148：276‑291.

［12］XIA Y，LUO H N，LI D，et al.Efficient immobilization of toxic heavy metals in multi‑contaminated agricultural soils by amino‑functionalized hydrochar：Performance， plant responses and immobilization mechanisms［J］.Environmental Pollution，2020，261：114217.

［13］WU J W，WANG T，WANG J W，et al.A novel modified method for the efficient removal of Pb and Cd from wastewater by biochar：Enhanced the ion exchange and precipitation capacity［J］.The Science of the Total Environment，2021，754：142150.

［14］ISLAM M S，MAGID A S I A，CHEN Y L，et al.Effect of calcium and iron‑enriched biochar on arsenic and cadmium accumulation from soil to rice paddy tissues［J］.The Science of the Total Environment，2021，785：147163.

［15］LAN T，WU P，LIU Z Y，et al.Understanding the effect of pH on the solubility and aggregation extent of humic acid in solution by combining simulation and the experiment［J］.Environmental Science & Technology，2022，56（2）：917‑927.

［16］朱学亮.γ-聚谷氨酸分子量的调控及其对重金属离子的吸附［D］.开封：河南大学，2018.

ZHU X L.Molecular weight regulation of γ‑polyglutamic acid and its adsorption to heavy metal ions［D］.Kaifeng：Henan University，2018.

［17］蔡志坚.γ-聚谷氨酸活化磷矿粉对Pb污染土壤铅形态及小白菜生长的影响［D］.武汉：华中农业大学，2010.

CAI Z J.Effect of γ‑polyglutamic acid‑activated phosphate rock on different forms of Pb in Pb‑contaminated soil and pakchoi growth［D］.Wuhan：Huazhong Agricultural University，2010.

［18］中华人民共和国农业部.土壤中pH值的测定：NY/T1377—2007［S］.北京：中国农业出版社，2007.
Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China.Determination of pH in soil：NY/T 1377—2007［S］.Beijing：China Agricultural Press，2007.

［19］中华人民共和国农业部.土壤检测第5部分：石灰性土壤阳离子交换量的测定：NY/T 1121. 5—2006［S］.北京：中国标准出版社，2006.
Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China.Soil testing part 5：Determination of cation exchange in calcareous soils：NY/T 1121.5—2006［S］.Beijing：China Standard Press，2006.

［20］中华人民共和国农业部.土壤检测第6部分：土壤有机质的测定：NY/T 1121.6—2006［S］.北京：中国标准出版社，2006.
Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China.Soil testing part 6：Determination of soil organic matter：NY/T 1121. 6—2006［S］.Beijing：China Standard Press，2006.

［21］丰骁，段建平，蒲小鹏，等.土壤脲酶活性两种测定方法的比较［J］.草原与草坪，2008，28（2）：70‑72.
FENG X，DUAN J P，PU X P，et al.Comparative analyses between two methods of measuring soil urease activity［J］.Grassland and Turf，2008，28（2）：70‑72.

［22］杨文娜，余泺，罗东海，等.化肥和有机肥配施生物炭对土壤磷酸酶活性和微生物群落的影响［J］.环境科学，2022，43（1）：540‑549.
YANG W N，YU L，LUO D H，et al.Effect of combined application of biochar with chemical fertilizer and organic fertilizer on soil phosphatase activity and microbial community［J］.Environmental Science，2022，43（1）：540‑549.

［23］杨兰芳，曾巧，李海波，等.紫外分光光度法测定土壤过氧化氢酶活性［J］.土壤通报，2011，42（1）：207‑210.
YANG L F，ZENG Q，LI H B，et al.Measurement of catalase activity in soil by ultraviolet spectrophotometry［J］.Chinese Journal of Soil Science，2011，42（1）：207‑210.

［24］国家环境保护总局.土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法：GB/T 17141—1997［S］.北京：中国标准出版社，1997.
General Administration of Environmental Protection of the People’s Republic of China.Determination of soil quality—Determination of lead and cadmium—Graphite furnace atomic absorption spectrophotometry：GB T 17141—1997［S］.Beijing：China Standard Press，1997.

［25］付志平，冼子良，雷畅，等.三种连续提取法对矿区土壤和尾砂中Pb形态分析研究［J］.广东化工，2022，49（6）：80‑83.
FU Z P，XIAN Z L，LEI C，et al.Speciation analysis of Pb in soils and tailings surrounding mine area by three sequential extraction procedures［J］.Guangdong Chemical Industry，2022，49（6）：80‑83.

［26］钟晓晓，王涛，原文丽，等.生物炭的制备、改性及其环境效应研究进展［J］.湖南师范大学自然科学学报，2017，40（5）：44‑50.
ZHONG X X，WANG T，YUAN W L，et al.Progresses of preparation， modification and environmental behavior of biochar［J］.Journal of Natural Science of Hunan Normal University，2017，40（5）：44‑50.

［27］毛欣宇，翟森茂，姜小三，等.不同改性生物炭对农田土壤理化性质及铅、镉钝化的影响机制研究［J］.环境工程，2023，41（2）：113‑121.
MAO X Y，ZHAI S M，JIANG X S，et al.Effect of modified biochar on physico‑chemical properties of farmland soil and immobilization of Pb and Cd and the mechanisms［J］.Environmental Engineering，2023，41 （2）：113‑121.

［28］ZHEN H Y，JIA L，HUANG C D，et al.Long‑term effects of intensive application of manure on heavy metal pollution risk in protected‑field vegetable production［J］.Environmental Pollution，2020，263（Pt A）：114552.

［29］谭林立，陈红燕，袁旭音.毒性金属Cd和Pb对土壤酶活性的胁迫效应研究［J］.环境科技，2016，29（5）：6‑10.
TAN L L，CHEN H Y，YUAN X Y.Assessment of soil enzyme activity under Cd and Pb stress［J］.Environmental Science and Technology，2016，29（5）：6‑10.

［30］王苗苗，陈明，郑小俊，等.生物炭在土壤重金属污染修复的应用研究进展［J］.应用化工，2022，51（6）：1729‑1735.
WANG M M，CHEN M，ZHENG X J，et al.Progress of using biochar in remediation of heavy metal polluted soil［J］.Applied Chemical Industry，2022，51（6）：1729‑1735.

［31］司马小峰，孟玉，沈贤城，等.生物炭修复重金属污染土壤研究进展［J］.安徽农业科学，2022，50（12）：31‑33.
SIMA X F，MENG Y，SHEN X C，et al.Research progress on biochar remediation of heavy metal contaminated soil［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2022，50（12）：31‑33.

［32］占国艳，陈振宁，童非，等.不同秸秆材料与制备工艺下生物炭性质及对土壤重金属的钝化效应［J］.生态与农村环境学报，2021，37（1）：86‑95.
ZHAN G Y，CHEN Z N，TONG F，et al.Effects of different biomass and pyrolysis technique on biochar characterization and immobilization of heavy metal in contaminated soil［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2021，37（1）：86‑95.

[1]	徐秀月, 王宁宁, 董慧林, 王杰, 韦荣乖, 王可伟. 玉米秸秆对煤矸石中重金属释放及生物有效性的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(6): 58-66.
[2]	王俊, 李广鑫, 李畅, 刘红恩, 高巍, 秦世玉, 王龙, 睢福庆, 冯洋, 赵鹏. 外源施用磷肥缓解小麦镉积累的效应[J]. 河南农业科学, 2024, 53(3): 78-86.
[3]	郭梦露, 李建奇, 鲁豫. 植物激素与螯合剂复合处理对镉胁迫下马齿苋发育和修复效果的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(9): 102-109.
[4]	柴冠群, 隋岩峰, 杨帆, 秦松, 范成五. 叶面喷施Na2SiO3 对朝天椒产量、品质与Cd 吸收累积的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(7): 109-116.
[5]	柴冠群, 周礼兴, 秦松, 范成五, 刘桂华, 王丽, 蒋亚. 黔西北镉污染耕地安全生产四季豆品种筛选[J]. 河南农业科学, 2023, 52(6): 51-60.
[6]	冯康, 杨园园, 刘琼, 程岚, 郝浩浩, 王平平, 金维环, 郭红祥. 烟草NtCCX2基因的克隆与表达分析[J]. 河南农业科学, 2023, 52(5): 52-60.
[7]	柴冠群, 杨娇娇, 王丽, 刘桂华, 罗沐欣键, 秦松, 范成五. 活化磷矿粉对土壤镉形态转化和辣椒镉吸收的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(5): 91-98.
[8]	柴冠群, 周礼兴, 王丽, 刘桂华, 秦松, 曹艳, 范成五. 不同品种马铃薯块茎Cd 吸收特征及食用安全性评价[J]. 河南农业科学, 2023, 52(3): 73-81.
[9]	于敏敏, 樊文华, 刘奋武, 田露丹, 王改玲, 孟庆慧. 硅和硒对镉胁迫下黄瓜幼苗光合作用和抗氧化酶系统的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(1): 116-124.
[10]	柴冠群, 刘桂华, 罗沐欣键, 王丽, 秦松, 范成五 . 生物炭与氮肥配施对石灰土辣椒Cd吸收累积的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(9): 68-78.
[11]	郭晖, 周慧, 庄静静, 王晓冰. 镉胁迫下丛枝菌根真菌对小麦生理特性和根际土壤酶活性的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(8): 20-27.
[12]	任新宇, 罗晟, 魏宏宇, 程新. 酸性环境对镉胁迫下水稻幼苗生长的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(4): 39-47.
[13]	张智超, 高明, 赵昊, 王晓雅, 曹子敬, 吴坤, 徐淑霞. 土壤微生态对二氯喹啉酸污染及Enterobacter ludwigii EM1 修复的响应[J]. 河南农业科学, 2022, 51(4): 68-76.
[14]	张志芳, 豁泽春. 镉、砷胁迫下接种丛枝菌根真菌对烤烟镉、砷累积及生理特性的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(2): 47-56.
[15]	李洁薇, 池永清, 吴钿芳, 朱阳春, 丁枫华. 镉铅复合胁迫对草本花卉种子萌发及幼苗生长的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(12): 122-130.