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沉积物中典型氧化物矿物吸附的镉对芦苇的生物有效 性研究
(1·中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110016; 2·中国科学院研究生院,北京 100049)
摘要:选用沉积物中5种典型氧化物矿物:针铁矿、磁铁矿、三水铝石、氧化铝、二氧化锰,以水培法和单一矿物吸附Cd为培养 介质,以芦苇为受试植物,研究环境中不同化学形态Cd(即吸附在不同矿物表面)的生物有效性差别.经过45 d的培养,发现矿 物吸附的Cd被芦苇吸收富集,不同形态Cd的富集强度不同,根组织富集量72·70~320·44 mg·kg-1,并遵循以下规律:Al(OH)3 > Al2O3> Fe3O4> MnO2> FeOOH. Cd的富集特征反映了不同矿物吸附Cd能力和稳定性的差异,通过采用3种低分子量有 机酸对Cd的解吸,评价了这几种矿物对镉的吸附强度.结果表明,Cd的解吸量遵循如下规律,乙酸、苹果酸:Al(OH)3> Fe3O4 > Al2O3> FeOOH > MnO2;柠檬酸:Al(OH)3> Al2O3> Fe3O4> FeOOH > MnO2,这与芦苇对各种矿物吸附镉的富集程度顺 序基本一致.Cd的化学形态是影响其生物有效性的重要因素.
关键词:镉;氧化物;吸附;解吸;生物有效性
镉是一种有毒重金属元素.20世纪初发现镉以 来,镉的产量逐年增加,大量的Cd通过“工业三废” 进入环境,造成了严重的Cd污染[1].水体是Cd的重 要汇,进入水环境中的Cd主要与水体中的颗粒物结 合,通过吸附、络合、(共)沉淀等物理、化学作用在沉 积物中富集,因此沉积物中的Cd浓度远远高于上覆 水体[2].沉积物是有机质和各种氧化物矿物组成的 混合物,沉积物中的金属矿物的比表面积较大、具多 微孔结构和大量吸附位点,导致沉积物中大量镉吸 附在金属矿物表面[3~6].
针铁矿(goethite, FeOOH)、磁铁矿(magnetite, Fe3O4)、三水铝石(gibbsite, Al(OH)3)、氧化铝 (alumina, Al2O3)和二氧化锰(manganese oxide, MnO2)是沉积物中主要的氧化物矿物,对镉具有较 强的吸附能力.由于表面结构、活性位点密度等不 同,造成对镉的吸附能力和稳定性不同,进而吸附在 其表面的Cd生物有效性也不同.低分子量有机酸 (LMWOAs)是广泛存在于沉积物中的含有羧基的小 分子碳水化合物,可与镉形成螯合物,由于植物和微 生物的代谢活动,植物根际的有机酸含量可高达10 mmol级[7,8].由于Cd与不同矿物的吸附强度和稳定 性的不同,LMWOAs对Cd的解吸也存在差异.
重金属的生物有效性是指环境中的重金属污染 物在生物传输和生物反应中被利用的程度[9],包括 毒性效应和被生物吸收的性质[10].生物有效性是一 个复杂的动态过程,包括物理化学作用驱动的解吸 (desorption process)和生理学作用驱动的吸收(uptake process)2个过程[11].本研究以芦苇为受试植物,培 养介质中以氧化物吸附态的Cd为唯一污染物,利用 植物对Cd的吸收直接衡量其生物有效性,将解吸和 吸收2个过程相结合,并利用LMWOAs对不同形态 Cd解吸的差异来评价不同矿物吸附Cd的生物有 效性.
1 材料与方法
1·1 金属矿物吸附实验
1·1·1 供试药品
5种矿物:针铁矿(goethite,α-FeOOH)、磁铁矿 (magnetite, Fe3O4)、三水铝石(gibbsite, Al(OH)3)、氧 化铝(alumina, Al2O3)和二氧化锰(manganese, MnO2) 购于天津博迪化学试剂公司,经XRD检测纯度> 90%.
Cd储备液,为Cd(NO3)2·4H2O(分析纯)用蒸馏 水配制.
实验中所有容器均经0·1 mol·L-1硝酸浸泡超 过24 h,蒸馏水清洗3遍.
1·1·2 吸附实验
采用批次实验的方法,向容积为2·5 L的陶瓷 水培罐中分别加入氧化物矿物100 g,2 L营养液,用 NaOH和HNO3调节酸度至pH5·5,搅拌状态下加入 50 mL Cd储备液(100 mg·L-1),Cd吸附量为50 mg·kg-1,悬浮液中Cd的总浓度为2·5 mg·L-1机械 搅拌下平衡24 h.
1·2 水培实验
2年生芦苇幼苗购于北京林洁天禾生态花卉中 心.清洗根部,在10% Hoagland营养液中暂养3周. Hoagland营养液配方(pH 5·5±0·2):Ca(NO3)2· 4H2O 3·57×10-4; H3BO32·31×10-5; CaCl2·2H2O 2·14×10-3; KH2PO49·68×10-4; KNO32·55×10-4; Mg(ClO4)21·04×10-3; FeCl36·83×10-5; MnSO4· H2O 7·69×10-6; MoO31×10-5; CuSO4·5H2O 1× 10-5; Zn(NO3)2·6H2O1×10-5,单位均为: mol·L-1. 选择长势一致的幼苗(植株高度约25 cm)移栽 于前述吸附了Cd的培养介质中,在温室中(自然光) 培养,每组处理重复3次.培养过程中,定期向水培 罐中添加营养液,保证植物营养供给.
1·3 pH跟踪监测
氧化物矿物基质制备和植物移栽前均调节pH 5·5,在富集实验过程中定期检测培养介质中pH 变化.
1·4 根胶膜金属的DCB提取实验
根系表面金属含量采用改良的柠檬酸钠-重碳 酸钠-连二亚硫酸钠法(DCB)[12, 13].将芦苇根系用蒸 馏水清洗2遍,再用去离子水(18·2 MΩ)清洗1遍, 放于30 mL柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O, 0·03 mol·L-1)和碳酸氢钠(NaHCO3,0·125 mol·L-1)混合 溶液中,加入0·6 g连二亚硫酸钠(Na2S2O4),25℃ 摇床反应60 min后,转移到50 mL容量瓶中定容,测 定其金属含量.
1·5 重金属含量测定
富集45 d以后,将植物样品用蒸馏水清洗2 遍,留出部分根系用作DCB提取,其余分成根、茎、 叶三部分105℃杀青20 min,恒温(80℃)烘干至恒 重.烘干的植物样品用HNO3/HClO4(3/1,体积比)消 煮,150℃加热2 h,210℃1 h,然后用5% HNO3溶 解、转移、定容.植物各部分及DCB提取根系金属浓 度用原子吸收分光光度法测定,标准物质(桃叶, GBW08501)检验整个消煮及测定过程的准确性. 根系生物富集系数(BCF) =根中镉含量 (mg·kg-1,干重)/培养介质中镉含量(mg·kg-1,干 重)
1·6 解吸实验
用低分子量有机酸模拟根际分泌物,考察根际 微环境中有机酸对吸附在矿物表面Cd的解吸,为解 释不同形态Cd的生物有效性的差异提供依据.氧化 物矿物吸附实验同上,平衡24 h,分别加入30 mmol·L-1和50 mmol·L-1的柠檬酸、乙酸和苹果酸 (加入前用NaOH调节pH 5·5)置于摇床(25℃, 180 r/min)进行解吸动力学实验,支持电解质为Hoagland 营养液,固液比为1∶20 (g/mL),反应期间保持pH 5·5.
2 结果与讨论
2.1 Cd在芦苇各部分的分布
本研究中矿物的吸附量为50 mg·kg-1,吸附平 衡后测得上清液中Cd的残留浓度 0·02 mg·L-1, 即Cd几乎完全吸附.培养45 d,体系的pH变动范围 在5·5~6·4之间,各矿物培养体系均略有升高,处 理间无显著差异.本实验以Hoagland营养液作为营 养物质的供给,单一矿物模拟沉积物中的矿物组分, 用植物体各部分Cd的富集直接评价其生物有效性, 简化了复杂的沉积物体系.
不同形态的Cd对芦苇的有效性不同,植物不同 部位对Cd的富集也有差异(图1).芦苇对吸附在 Al(OH)3表面的Cd富集最多,其次是Al2O3、Fe3O4, 富集最少的是与FeOOH和MnO2结合的Cd.芦苇根 部Cd的富集量(以干重计)为72·70 ~ 320·44 mg·kg-1(图1),远高于矿物介质的Cd含量(50 mg·kg-1),富集系数(BCF)均>1(1·45~6·41),且根 部的富集量接近地上部的10倍,各处理Cd富集遵 循以下规律:根>根表(DCB)>茎>叶.对芦苇根系 表面Cd的DCB提取可知,Al(OH)3、Fe3O4、Al2O3介 质中根系表面Cd含量较高(30~35 mg·kg-1); FeOOH、MnO2根表面Cd含量较少(图1).
芦苇是一种大型多年生挺水植物,依靠根系从 沉积物中吸收营养元素[14],污染物也通过根系吸收 并富集于根部[15],因此Cd向地上部的转移量较小 (< 5%).芦苇根系发达,具多年生横走根茎,根系 富集大量重金属元素对沉积物中的重金属污染物起 固定作用;向地上部转移量少,可以避免富集了重金 属的植物茎叶被动物啃食,重金属再次进入食物 链[15].此外,芦苇还具备生物量大、对重金属耐受性 强等特点,作为构建人工湿地和处理矿山废水废渣 的重要修复植物[16].因此,研究芦苇对不同赋存形 态Cd的有效性有重大的现实意义.
柠檬酸钠-重碳酸钠-连二亚硫酸钠法(DCB)是 目前广泛使用的根胶膜重金属提取方法[17].芦苇根 胶膜的主要成分为菱铁矿[18],主要是由于根系呼吸 作用释放的活性氧与周围铁、锰等元素在根系表面 形成无定形或结晶(氢)氧化物[19].这些金属氧化物 的比表面积较大、吸附活性高,与环境中的重金属污 染物通过吸附、络合、共沉淀等作用结合,进而影响 重金属的环境行为[20].目前,根胶膜对环境中重金 属的生物有效性及其保留机制的影响还存在争 议[21~26],有学者认为根胶膜的存在起屏障(barrier) 的作用,抑制植物对重金属的吸收[21~24];另有学者 认为,根胶膜能暂时截留重金属,使其大量富集在根 际周围,当环境条件改变或在生物代谢作用下,这部 分重金属将转变为有效态被植物吸收[19, 25, 26].本研 究中,不同矿物培养体系DCB提取态Cd含量与根 富集的Cd含量显著正相关(p<0·05),因此根胶膜 对Cd起到截留作用.在自然的水-沉积物环境中,芦 苇等修复植物的根系截留重金属使其大量富集,一 方面起到植物固定的作用(phytostabilisation),同时在 环境条件改变时促进重金属在植物体内富集,提高 了修复效率.
沉积物中的重金属由于无机及有机胶体对阳离 子的吸附、配位体交换、络合等作用与沉积物中的不 同组分结合,因此,重金属的生物有效性与其赋存形 态密切相关.用单一或连续提取法抽提沉积物中的 重金属,是利用不同形态重金属的理化性质推测生 物学问题,具有一定理论基础.但是,生物体是复杂 的有机体,不同生物体、不同环境、生物体的不同生 长阶段等因素都会影响污染物的吸收,显然用化学 方法预测和评价只考虑了化学吸附/解吸过程,而未 考虑生物吸收平衡.本研究为阐明沉积物中何种形 态的重金属可被植物富集,不同赋存形态的富集强 度如何,参考化学连续提取法将沉积物中Cd形态进 行划分,实验室模拟矿物吸附态,用植物富集量直接 评价不同矿物吸附产生的生物有效性差异,简化了 环境条件,更准确地量化了Cd的生物有效性.
芦苇对不同矿物吸附的Cd富集特征体现了Cd 的赋存形态对生物有效性的影响.由于不同矿物自 身理化性质的差异造成其对Cd的吸附容量和稳定 性不同.影响矿物吸附能力主要有以下因素:首先, 矿物主要通过自身羟基与Cd络合,因此羟基数量对 吸附能力起决定作用.其次,比表面积和吸附位点影 响矿物的吸附性能,比表面积较大,吸附位点较多的 矿物表面性质更加活跃,吸附能力强[19, 27, 28].第三, 矿物表面零质子状态点pHzpc也与重金属的吸附相 关,当环境中pH>pHzpc时,矿物表面带负电,增加了 金属阳离子的静电引力,吸附相对容易.铁矿物的比 表面积较大,吸附位点较多,吸附容量大于铝矿物. 此外,铁矿物(硝酸盐,pH 7~8)和铝矿物(硝酸盐, pH9~9·5)的pHzpc不同[19,27],本研究中体系pH 5·5 ~6·4,低于铁、铝矿物的pHzpc,且与含铁矿物pHzpc 较接近,因此铁矿物对Cd(阳离子)的排斥较小,吸 附性能强于含铝矿物[29].而且,含铝化合物刺激植 物根系过量分泌有机酸、糖类、氨基酸等代谢物进而 增加了Cd的溶解性和迁移性[29, 30].综上,吸附在含 铝矿物上的Cd的生物可利用性最高(图1).沉积物 中的锰氧化物含量大大低于铁氧化物,但锰氧化物 的比表面积较大、零质子状态点的pH较低,在相同 的环境条件下,吸附在锰氧化物表面的镉更加稳 定[6, 31, 32],因此锰氧化物在环境中的作用不容忽 视[33, 34].
2.2 有机酸对矿物结合态Cd的生物有效性的影响
由图2~4可知,有机酸对吸附在不同矿物上 Cd的解吸存在差异,乙酸、苹果酸对不同矿物表面 Cd的解吸规律相似,即:Al(OH)3>Fe3O4>Al2O3> FeOOH>MnO2;而柠檬酸为:Al(OH)3> Al2O3> Fe3O4> FeOOH > MnO2,柠檬酸对Cd的解吸规律 与芦苇对Cd吸收规律表现出明显的一致性.这说明 不同矿物吸附Cd由于吸附强度不同,在根系分泌物 作用下的解吸也不同,因此造成生物有效性差异.解 吸量最大的是铝矿物,其次为铁矿物,锰矿物解吸最 少,这与金属矿物的吸附稳定性相关.
有机酸种类也对解吸也产生很大影响,各种矿 物的解吸量:柠檬酸>苹果酸>乙酸.3种有机酸电 离分别具有1、2、3个羧基,羧基越多,Cd解吸量越 大.乙酸电离产生1个羧基,与金属形成单齿螯合 物;而苹果酸和柠檬酸电离产生2或3个羧基,与金
属形成5或6元环结构[34].这种螯合的稳定性强于 单齿螯合,因此苹果酸和柠檬酸的解吸效率强于乙 酸.同时,有机酸电离常数也是影响解吸效率的重要 因素,3种酸logK:乙酸(1·60)<苹果酸(5·40)<柠 檬酸(7·98)[35],有机酸与金属的络合容量与logK成 正比,有机酸与金属络合越稳定,金属解吸越多[36]. 因此,在本研究中柠檬酸的解吸量最大,其次为苹果 酸、乙酸.
3 结论
(1)实验采用沉积物中5种常见氧化物矿物, 水培法培养,考察了不同矿物吸附形态Cd的生物有 效性,简化了复杂的沉积物体系,用芦苇对Cd的富 集直接评价其生物有效性,结合有机酸解吸实验解 释有效性差异的可能原因.结果表明,芦苇对吸附在 含铝矿物表面的Cd吸收最多,其次为铁锰矿物.不 同矿物吸附Cd的强度和稳定性不同,造成了生物有 效性的差异.可能对Cd的吸附解吸产生影响的是植 物根系分泌的有机酸,不同矿物中Cd的解吸量遵循 如下规律,乙酸、苹果酸:Al(OH)3> Fe3O4> Al2O3 > FeOOH > MnO2;柠檬酸:Al(OH)3> Al2O3> Fe3O4> FeOOH > MnO2,柠檬酸解吸规律与芦苇对 Cd的吸收规律相吻合.有机酸本身性质,如羧基数 量、电离常数也影响Cd解吸量,因此Cd的解吸量: 柠檬酸>苹果酸>乙酸(图2~4).
(2)环境中不同形态Cd的生物有效性不同,吸 附在矿物表面的Cd能够被植物吸收转变为“有效 态”,造成了Cd在水体-沉积物界面迁移,释放.在今 后的研究中,应用X-光吸收精细结构等光谱学手 段,定性表征重金属在环境中的行为及有效态金属 在植物体内的迁移转化,深入探讨重金属形态转化 及其生物有效性的内在联系.
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