葉酸和蛋氨酸輔助提升單一螯合劑去除土壤重金屬的研究

彭雅茜，張世熔，王怡君，鐘欽梅，馮 燦

（四川農業大學環境學院，成都 611130）

近年來，工業“三廢”排放、金屬冶煉和采礦等人為活動的增加導致土壤重金屬污染日益嚴重，成為全球性的環境問題[1-2]。土壤重金屬不僅使土壤質量下降，而且能通過食物鏈累積危害人體健康[3]。其中，Cd和Pb是非必需元素，因具有高毒性和非生物降解性而易于致癌[4]。盡管Zn是必需營養元素，但過量的Zn也會抑制植物生長[5]。因此，鎘鉛鋅復合污染的土壤亟待修復。

目前，常見的重金屬污染土壤修復方法主要有物理修復、化學修復和生物修復[6-7]。化學萃取修復技術具有耗時短和效果明顯等特點，因而有較好的工程應用前景[8]。化學萃取是通過溶解和解吸等作用將重金屬從土壤固相轉移至浸提液中，從而實現污染土壤的凈化[1]。該技術的關鍵是篩選來源廣泛、成本低廉和環境友好的浸提劑。常用的浸提試劑包括酸、鹽、螯合劑和表面活性劑等[8-9]，它們雖然能去除重金屬，但存在一些缺點。例如，無機酸的使用會破壞土壤結構并導致土壤養分流失，表面活性劑和人工螯合劑大部分生物降解性差，且對環境有危害，易對土壤造成二次污染[10]。天然螯合劑例如檸檬酸、檸檬酸銨等具有一定的浸提效果且易于生物降解。但在單一使用條件下，它們對復合污染土壤中多種重金屬的去除率有限[11]。因此，篩選環境友好型且能與主要浸提劑配合使用的低廉高效的輔助劑，具有一定的實用價值[12]。

檸檬酸（CA）和檸檬酸銨（AC）生產成本低且環境友好，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸（PBTCA）亦是一種來源廣泛且可生物降解的阻垢劑。三者均含有相應的羧基及羥基基團，能夠螯合重金屬[13-15]。本研究初步試驗表明，三者在鎘鉛鋅復合污染土壤的浸提效果有限。因此，需要尋找提高重金屬去除率的輔助劑。葉酸（FA）是水溶性維生素，具有很強的藥理和生化活性，在食品、醫藥、化工等領域被廣泛應用，分子中含羧基能螯合重金屬且環保無毒[16]。蛋氨酸（Met）屬于氨基酸類物質，能與金屬結合[17]，其本身容易生物降解，屬于環境友好型試劑[18]。FA和Met是有利于植物生長的2種有機酸，但對CA、AC和PBTCA去除重金屬的影響尚不清楚[19]。因此，本研究擬將FA和Met作為輔助劑，采用檸CA、AC和PBTCA與其分別組合進行研究，以期探討添加FA或Met能否提高土壤Cd、Pb和Zn的去除率；評估FA或Met濃度、pH和反應時間對重金屬去除率的影響，獲取最優化參數；分析最優工藝條件下復合浸提劑對土壤重金屬組分的影響。探索有機酸輔助劑用于提升單一浸提劑去除土壤重金屬的可行性，為鎘鉛鋅復合污染土壤的修復提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與浸提劑

1.1.1 供試土壤

土樣采自四川省漢源縣富泉鉛鋅礦區的表層土壤（0～20 cm）。樣品自然風干后，剔除植物殘體和碎石，經研磨后過2 mm尼龍篩，混勻，存放在封口袋中備用。

土壤基本理化性質：pH 7.36，有機質30.46 g·kg-1，全氮 1.32 g·kg-1，全磷 0.72 g·kg-1，全鉀 11.02 g·kg-1，土壤中 Cd、Pb和 Zn的含量較高，分別為 14.2、535 mg·kg-1和1465 mg·kg-1。

1.1.2 浸提劑

葉酸（FA），分析純，產自南京奧多福尼生物科技有限公司；蛋氨酸（Met），分析純，產自上海研臣實業有限公司。檸檬酸（CA）和檸檬酸銨（AC），分析純，均購自萬科化學試劑公司；2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸（PBTCA），純度50%（分析純），產自山東棗莊鑫泰化工有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 單一材料對土壤鎘鉛鋅去除影響試驗

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入 20 mL 濃度為 0.10、0.25 mol·L-1和 0.40 mol·L-1的CA、AC或PBTCA浸提液，共9個處理；20 mL濃度為2.0 g·L-1和5.0 g·L-1的FA或Met浸提液，共4個處理。pH用0.10 mol·L-1的HNO3或 NaOH調節至 4.00，在25 ℃、250 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。蒸餾水做對照，每個處理重復3次。

1.2.2 輔助劑提升螯合劑去除土壤鎘鉛鋅效率試驗

混合浸提劑的配制。將FA和Met兩種輔助劑按0.5、2.0、3.5、5.0、6.5 g和8.0 g分別與0.25 mol的CA、AC和PBTCA組合，配制成1 L混合浸提液，共36個處理。

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入20 mL混合浸提液。混合液pH用0.10 mol·L-1的HNO3或NaOH調節至4.00，在25 ℃、250 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。每個處理重復3次。

1.2.3 pH對土壤鎘鉛鋅去除率的影響試驗

優化的混合浸提劑配制：選擇輔助劑最優濃度，即FA為8.0 g·L-1，Met為5.0 g·L-1。將8.0 g的FA和5.0 g的Met分別與0.25 mol的CA、AC和PBTCA組合，配制成1 L混合浸提液。

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入20 mL混合浸提液。調節混合液pH分別為2、4、6、7和9，共30個處理。隨后于25 ℃、200 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。每個處理重復3次。

1.2.4 浸提時間對土壤鎘鉛鋅去除率的影響試驗

優化的混合浸提劑配制：選擇混合浸提液最優pH，即pH為4。將8.0 g的FA和5.0 g的Met分別與0.25 mol的CA、AC和PBTCA組合，配制成1 L混合浸提液。

稱取2.00 g供試土壤于50 mL離心管中，分別加入20 mL混合浸提液。pH用0.10 mol·L-1的HNO3或NaOH調節至4.00，在25 ℃、200 r·min-1條件下分別恒溫振蕩 10、30、120、240 min和 360 min后，3600 r·min-1離心5 min。用0.45 μm濾膜過濾，濾液中Cd、Pb和Zn的含量用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定。每個處理重復3次。

1.2.5 土壤理化性質

土壤pH值采用酸度法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定[20]。

1.2.6 重金屬賦存形態測定

土樣經最優混合浸提液浸提120 min后，取出自然風干，經研磨后過2 mm尼龍篩備用。土壤采用HNO3-HClO4-HF三酸消煮，后用火焰原子吸收分光光度法（FAAS，M6型）測定重金屬全量；重金屬形態的分析測定采用BCR連續提取法[21]。每個處理重復3次。

1.3 數據處理

試驗數據采用SPSS 21.0分析軟件進行單因素方差分析，數據平均值用L-S-D法進行顯著性檢驗，當p＜0.05時認為其差異顯著。圖表采用Origin Pro 9.0繪制。

浸提去除率=浸提液中金屬總量（mg·kg-1）/土壤中金屬總量（mg·kg-1）×100%

2 結果與討論

2.1 單一材料對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率

圖1 單一螯合劑對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率Figure 1 Effects of single chelating agents on soil Cd,Pb and Zn removal rates

隨著濃度的增加，CA、AC和PBTCA對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率均呈上升趨勢（圖1）。CA、AC和PBTCA均在濃度為0.4 mol·L-1時，對土壤重金屬的去除效果最好（蒸餾水對3種重金屬的去除率分別為0.51%、0.05%和0.08%）。但在實際工程應用中，考慮土壤重金屬的去除效果和成本，濃度則不宜過度增加。因此，本研究選取3種螯合劑濃度為0.25 mol·L-1進行后續試驗。然而，2種輔助劑對土壤重金屬Cd、Pb和Zn的去除效果較差，且均小于2.0%（表1）。因此，單一輔助劑難以直接用于去除土壤重金屬Cd、Pb和Zn。

2.2 浸提液濃度

2種輔助劑FA、Met分別與3種螯合劑CA、AC和PBTCA構成的6種復合浸提劑對土壤重金屬Cd、Pb和Zn的去除率隨輔助劑濃度的增加而呈現不同的變化趨勢（圖2）。

Cd去除率除在FA與CA復合浸提時隨FA濃度增加呈上升趨勢外，與AC、PBTCA復合時，隨FA濃度的增加其趨勢均無明顯變化；Met與3種螯合劑復合浸提時對Cd的去除率隨濃度增加而略微波動，趨于平衡。這是由于相對添加Met而言，可能FA與重金屬Cd化學結合更穩定[22]。因此，添加FA對Cd去除率提高效果更顯著。在FA濃度為8.0 g·L-1時達到最大去除率61.98%，此時對CA去除Cd的提升率為10.45%。總體上，FA與3種螯合劑構成的復合浸提劑對輔助提升去除Cd的效果以CA為最高（3.53%～10.45%），AC次之（0.94%～5.73%）。

輔助劑在較高劑量時，6種復合浸提劑對Pb、Zn的浸提均有較好的去除效果。其中2種輔助劑FA和Met在5.0 g·L-1時，與PBTCA復合浸提對Pb有最大去除率，分別為76.07%和76.57%，同時達到最高的增加值（8.10%和8.60%）。FA在8.0 g·L-1時提升CA和AC去除Zn的效果最好，提升率分別為12.08%和7.31%。Met輔助提升CA、AC和PBTCA去除土壤重金屬Zn均表現為正效應，在Met為5.0 g·L-1時去除率增加值為5.64%～10.15%。

由此可見，與CA、AC和PBTCA單獨浸提相比，加入FA和Met，在一定程度上提高了對土壤Cd、Pb和Zn的去除率。表明3種螯合劑與FA或Met可能相互作用。其原因可能是輔助劑與螯合劑作用后，2種有機酸輔助劑在金屬表面形成多分子吸附層，從而促進其與重金屬離子螯合[9，23]。2種輔助劑提升CA、AC對重金屬Cd和Zn的浸提效果優于PBTCA。一方面可能是由于PBTCA與Ca2+和Mg2+等土壤干擾陽離子結合[24]，減少了FA或Met占據其結合位點的機會。另一方面，CA的酸溶作用將酸溶態重金屬大量去除[8]。PBTCA的復合浸提劑浸提Pb的效果高于Cd和Zn，可能與PBTCA的化學結構有關[1]，表明其有潛力修復Pb污染的土壤。

2.3 浸提液pH

浸提液pH也是影響重金屬去除效果的重要因素[25]。如圖3所示，隨著浸提液pH增加，6種復合浸提劑對Pb和Zn的去除率逐漸降低，其變化趨勢基本相同。在混合浸提液pH值為2時，PBTCA與FA和Met構成的復合浸提液對Pb的去除率達84.12%和85.87%；CA的復合浸提劑對Zn的去除率分別為46.70%和53.56%。6種復合浸提劑對Cd的去除率隨溶液pH的增加呈現不同的變化趨勢。其中FA與CA復合浸提液對Cd的去除率隨pH增加先升高后降低，且在pH為4時去除率為61.98%。AC與FA和Met的復合浸提液pH由7升高至9時，Cd的去除率略有增長。這可能是由于Cd在高pH范圍內以帶負電的 Cd（OH）-3和Cd（OH）2-4的形式存在[26]。

總體來看，酸性條件下重金屬的去除效率高于堿性條件。因為pH較低時，鐵鋁氧化物固定的重金屬更容易從土壤中釋放，與腐殖質結合的重金屬元素也更容易被活化，從而提高重金屬化合物的可溶性，通過與浸提液中的氫離子交換，重金屬離子去除率得到提高[10]；而pH過高時，重金屬活化程度逐漸降低。由此可知，pH較低時對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率較高。但在實際應用中，pH過低不僅會破壞土壤結構，導致土壤酸化[27]，而且會提高經濟成本，不利于實際工程應用。雖然pH為2～4時重金屬去除率主要呈下降趨勢，但變化不大。因此，選用浸提液pH為4既能最大程度地減少對土壤結構的破壞，也能有效地去除土壤重金屬。

表1 單一輔助劑對重金屬Cd、Pb和Zn的去除率（%）Table 1 Effects of auxiliaries on soil Cd，Pb and Zn removal rates（%）

圖2 不同輔助劑濃度對土壤中Cd、Pb和Zn去除率的影響Figure 2 Effects of the concentration of auxiliaries on soil Cd,Pb and Zn removal rates

2.4 浸提時間

浸提時間是影響土壤重金屬去除的另一重要因素[28]。從圖4可以看出，浸提時間在0～120 min內，3種重金屬的去除率均快速增加，之后趨于平衡，這可能是由重金屬的限速溶解和解吸造成的[29]。浸提初期，土壤中易遷移的酸溶態被快速釋放出來；隨著浸提時間增加，與土壤結合較緊密的重金屬也被浸提液緩慢洗出，因此各種重金屬的解吸速率變緩，逐漸趨于平衡[30]。在浸提120 min時，土壤重金屬的去除率達到最大。CA的復合浸提劑對Cd和Zn的浸提效果較其他復合浸提劑更好，其中，CA與FA復合時對Cd、Zn的去除率最高可達61.98%和49.20%；而對Pb的去除效果最好的則是PBTCA與Met的復合浸提劑（76.57%），PBTCA與FA混合次之（76.07%）。

浸提時間超過120 min后，去除率趨于穩定。其主要原因是重金屬離子與土壤顆粒結合牢固，從而導致重金屬難以從土壤中解吸，且其去除率隨時間的增加變化不大。合適的浸提時間不僅可以降低成本，還可以縮短土壤修復的時間。綜合考慮后，本研究選用120 min為最佳浸提時間。

2.5 浸提前后土壤重金屬形態變化

土壤中重金屬的不同形態分布會影響其在土壤中的行為，遷移能力越強，對環境的影響越大[31]。從圖5中可以看出，浸提前后土壤中重金屬Cd、Pb和Zn的各個形態均有不同程度的變化。浸提前土壤中Cd主要以酸溶態和可氧化態形式存在，分別為5.83 mg·kg-1和4.6 mg·kg-1。經FA和Met與3種螯合劑復合浸提后，酸溶態含量顯著降低（p＜0.05），分別下降46.5%～76.8%和50.9%～77.2%。CA與2種輔助劑復合浸提能夠較好地去除土壤中酸溶態和可氧化態Cd，這主要是由于CA溶液呈酸性，可促進酸溶作用的發生。同時FA和Met與CA的協同作用釋放出更多的可氧化態重金屬，與復合浸提液發生絡合、螯合反應，從而被大量去除[9]。這表明混合浸提劑能改變土壤中重金屬Cd的形態分布，使其易遷移和轉化，再通過復合浸提去除[32]。

圖3 混合浸提液的pH值對土壤中Cd、Pb和Zn去除率的影響Figure 3 Effects of the solution pH on soil Cd,Pb and Zn removal rates by various combined solutions

圖4 不同浸提時間對土壤中Cd、Pb和Zn去除率的影響Figure 4 Effects of the leaching time on soil Cd,Pb and Zn removal rates by various combined solutions

圖5 復合浸提前后土壤中Cd、Pb和Zn的形態分布Figure 5 Distribution of Cd,Pb and Zn fractions in soil before and after washing with various combined solutions

浸提前土壤中Pb主要為可氧化態形式，含量為244.1 mg·kg-1。與Cd組分變化相似，6種復合浸提劑均能大量去除酸溶態的Pb，PBTCA與2種輔助劑復合使其含量最高分別下降79.3%和95.7%；同時Pb的可還原態也顯著降低（p＜0.05）。其中，PBTCA和Met組合能較好地去除可氧化態的Pb，使其含量下降39.3%。因此，PBTCA與Met構成的復合浸提劑對Pb的浸提效果最好。

而Zn主要以殘渣態存在，其含量為614.2 mg·kg-1，占土壤Zn全量的41.9%，說明Zn較穩定存在于土壤礦物晶格中。這也是Zn去除率較低的原因[3]。與Cd、Pb組分變化相似，酸溶態、可還原態和可氧化態Zn顯著降低（p＜0.05）。值得關注的是，當PBTCA存在時，殘渣態的Zn也顯著降低（p＜0.05），下降幅度為34%～38%。這表明PBTCA與2種輔助劑復合浸提能較好地去除殘渣態Zn。

綜上所述，浸提后土壤中Cd、Pb和Zn的4種形態均得到不同程度的去除。其中，對浸提重金屬貢獻最大的是酸溶態，其次是可還原態和可氧化態。表明主要是重金屬的酸溶態、可還原態和部分可氧化態參與浸提反應，從而高效修復土壤。因此，本試驗采用復合浸提液修復重金屬污染的土壤切實可行。

3 結論

（1）單一螯合劑CA、AC和PBTCA對土壤重金屬Cd、Pb和Zn均有一定去除效果。三者在0.25 mol·L-1時，3種重金屬的最高去除率分別為51.53%、67.97%和37.12%。

（2）加入FA或Met可以提高土壤中Cd、Pb和Zn的去除率。當混合浸提液pH值為4、浸提時間為120 min時，輔助劑提升3種土壤重金屬去除率的最高增加值為10.45%、19.65%和12.08%。混合液濃度、pH和接觸時間顯著影響重金屬的去除率（p＜0.05）。

（3）復合浸提后土壤中重金屬的酸溶態、可還原態和部分可氧化態含量顯著下降（p＜0.05），減少了土壤重金屬污染環境的風險。