一种改良剂协同木本植物修复镉锌复合污染土壤方法

技术领域

本发明涉及镉锌复合污染土壤修复技术领域，具体为一种改良剂协同木本植物修复镉锌复合污染土壤方法。

背景技术

重金属元素中，大部分处于元素周期表的过渡区，一般都有多种价态，因此有较高的化学活性，能参与环境中多种反应和过程，易对环境造成难以恢复的损害。在所有重金属污染中尤以镉(Cd)的污染最为严重。然而自然界中，重金属多为伴生性或综合性，例如镉(Cd)和锌(Zn)具有相似的地理化学和环境特性，由于锌矿中通常含有0.1％-0.5％的镉(Cd)，所以采矿过程及随后提取向环境中释放锌(Zn)通常伴随着镉(Cd)对环境的污染。

改良剂-植物修复技术即在土壤中加入土壤改良剂调节土壤营养及其物理化学条件从而改变植物对金属的吸收效应，其被认为是一种有前景的污染土壤修复技术。一般植物在吸收非必需金属元素时会表现出一定的中毒症状，但超富集植物可以吸收数倍甚至数百倍于普通植物所能吸收的量，然而通过超级累植物提取重金属的前提条件是重金属被活化，即转化为可被植物吸收和利用的形态。

研究发现：凹凸棒土是一种存在于自然界中2:1型的层链状晶质水合镁铝盐矿物，其结构式为(Mg，Al，Fe)

生物炭是一种高芳香、难容的固体材料，由于废弃生物质经过缺氧热聚反应而生成的，具有比表面积大、孔隙多、吸附性能较好等优点。生物炭吸附重金属主要是通过物理吸附、静电作用、离子交换作用和表面络合作用，其中离子交换作用和表面络合作用起主导作用，而生物炭在螯合活化重金属、并将重金属转化为可被植物吸收和利用形态的能力方面明显不足。

除了对重金属有超积累能力的草本植物外，越来越多的木本植物，如柳树、杨树和栎树也因对重金属的高积累能力或耐受性，以及高生物量生产和低劳动力成本，显示出对重金属污染土壤突出的植物修复潜力。

研究发现使用螯合剂配合植物修复则可以解决植物提取重金属效率过低的问题，从而大大提升植物修复的应用价值。但是目前大多数螯合剂都存在难以降解或螯合力低的种种问题。聚天冬氨酸是一种带有羧基侧链、可完全生物降解、对环境友好的聚氨基酸。

发明内容

为了克服生物炭在螯合活化土壤中镉锌能力方面存在的不足、也为了克服凹凸棒土在吸附土壤中镉锌方面存在的能力有限问题，本发明提供一种改良剂协同木本植物修复镉锌复合污染土壤方法，其使用聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭或/和支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土为镉锌复合污染土壤的改良剂，该改良剂既具有固定钝化土壤中镉锌的作用、又具有螯合土壤中镉锌的效应，其通过与木本植物栎树配合作用，促进镉锌从土壤向植物的富集能力，显著提升修复镉锌复合污染土壤的效率。

一种改良剂协同木本植物修复镉锌复合污染土壤方法，包括如下步骤：

步骤一，制备聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭和支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土，使用聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭或/和支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土作为镉锌复合污染土壤的土壤改良剂；

步骤二，按照10-35t/hm

步骤三，种植木本植物栎树幼苗，定期除草除虫；

所述土壤条件为：Cd>29mg/kg、Zn>1100mg/kg、pH＝7.6；

所述木本植物为栎树，具体包括白栎和娜塔栎，优选为娜塔栎；

所述土壤改良剂的添加比例优选为22.5t/hm

所述土壤改良剂优选为充分混入到表层土30cm中；

其中，聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭的制备方法为：首先利用水稻秸秆制备水稻秸秆生物炭，然后对水稻秸秆生物炭进行改性处理得到氯丙基功能化改性的水稻秸秆生物炭，最后聚天冬氨酸与氯丙基功能化改性的水稻秸秆生物炭通过亲核取代反应实现接枝复合，其具体的制备步骤如下：

步骤1-1，采用去离子水将水稻秸秆清洗干净，剪成小段，首先干燥至恒重，然后放置到马弗炉中限氧裂解炭化，得到水稻秸秆生物炭；

步骤1-2，向水稻秸秆生物炭中依次加入去离子水、无水乙醇、3-氯丙基三甲氧基硅烷，搅拌反应，加入NH

步骤1-3，把聚天冬氨酸加入到去离子水中，向上述溶液中加入氯丙基功能化改性的水稻秸秆生物炭，首先超声分散，然后搅拌冷凝回流反应，之后采用去离子和无水乙醇洗涤产物，干燥至恒重，得到聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭；

其中，聚天冬氨酸的相对分子量3000-6000、固体含量40％，优选为聚天冬氨酸的相对分子量4000；

支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土的制备方法为：首先对于凹凸棒土活化处理，然后对活化的凹凸棒土进行改性处理得到氨丙基功能化改性的凹凸棒土，最后支化型羧基功能单体M-Carboxylation与氨丙基功能化改性的凹凸棒土通过酰胺化反应实现接枝复合，其具体的制备步骤如下：

步骤2-1，把凹凸棒土分散在去离子水中，持续搅拌、静置，去除上层悬浮杂质，之后向上述溶液中加入去离子水和双氧水，持续搅拌，离心获得纯化的凹凸棒土，向该纯化的凹凸棒土中加入盐酸和去离子水，超声分散、并且在持续搅拌，采用去离子和无水乙醇洗涤至中性，干燥至恒重，得到活化的凹凸棒土；

步骤2-2，把活化的凹凸棒土加入到甲苯中，超声分散，在氮气的保护下，把混合溶液升温，加入3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌反应，之后过滤、用无水乙醇提纯、干燥至恒重，得到氨丙基功能化改性的凹凸棒土；

步骤2-3，在氮气的保护下，向反应器中加入二氯甲烷和支化型羧基功能单体M-Carboxylation，恒压滴加氯化亚砜，之后加入氨丙基功能化改性的凹凸棒土，在室温下反应，过滤，依次用二氯甲烷、去离子水洗涤，并干燥至恒重，得到支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土；

所述支化型羧基功能单体M-Carboxylation的制备方法为：

步骤3-1，以季戊四醇、5-己炔酸为原料，在对甲苯磺酸的催化下，进行酯化反应，制备得到炔基化功能单体M-alkynyl；

步骤3-2，利用巯基-炔点击反应，在紫外光作用下通过光引发剂引发一个当量炔基化功能单体M-alkynyl与八个当量巯基乙酸发生巯基-炔加成反应，制备得到支化型羧基功能单体M-Carboxylation。

与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：

本发明：首先设计合成聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭和支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土两种土壤改良剂，具体为：

把对于土壤中镉锌具有固定钝化作用的水稻秸秆生物炭和对于土壤中镉锌具有螯合效应的聚天冬氨酸通过化学键合的方法(亲核取代反应)进行复合，其多孔结构和丰富的官能团可以有效改善土壤结构、平衡土壤pH，改善栎树的根际环境，促进树木生长；二是复合材料通过羧基官能团与土壤中可溶态镉锌进行配位结合，降低镉锌毒性，将镉锌转化为可被栎树吸收和利用的有效形态；三是复合材料通过吸附钝化固定一部分镉锌、促使镉锌在土壤中保持稳定，以此来降低镉锌对栎树的毒害作用，并且其还具备可完全生物降解的显著优点；

把对于土壤中镉锌具有一定吸附作用的凹凸棒土和对于土壤中镉锌具有螯合效应的支化型羧基功能单体M-Carboxylation通过化学键合的方法(酰胺化反应)进行复合，其粗糙的结构和活性羟基官能团也可以有效改善土壤结构、平衡土壤pH，一方面通过羧基官能团及硫官能团与土壤中的镉锌进行配位结合，把土壤可溶态镉锌转换为螯合态，降低土壤中镉锌毒性，促进镉锌转化为可被栎树吸收和利用的有效形态，另一方面通过吸附钝化固定一部分镉锌，降低根际土壤中可溶态镉锌的含量；

通过改良剂螯合土壤中的镉锌离子，改善树木生长环境，促进树木根系活力和代谢活力，提升树木根系对土壤中可利用态镉锌的吸收作用和栎树由根部向地上部的转运能力，提高白栎和娜塔栎两种木本植物中镉锌的积累量，实现提升木本植物栎树对镉锌复合污染土壤修复效率的有益技术效果。

附图说明

图1为氯丙基功能化改性的水稻秸秆生物炭的化学结构式；

图2和图3为聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭的两种分子构型；

其中，R

图4为氨丙基功能化改性的凹凸棒土的化学结构式；

图5为炔基化功能单体M-alkynyl的化学结构式；

图6为支化型羧基功能单体M-Carboxylation的化学结构式；

图7为支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土的分子结构式；

其中，R

图8为实施例5、实施例6和实施例7中栎树各部分镉浓度的柱状图；

图9为实施例5、实施例6和实施例7中栎树各部分锌浓度的柱状图；

图10为实施例5、实施例6和实施例7中单株栎树镉锌积累量的柱状图；

图11为实施例5、实施例6和实施例7中栎树各部分对镉锌的生物富集系数的柱状图。

具体实施方式

实施例1：

改良剂Ⅰ-聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭的制备：

水稻秸秆生物炭的制备：采用去离子水将水稻秸秆清洗干净，剪成长度2cm的小段，首先在温度60℃下干燥至恒重，然后放置到马弗炉中限氧裂解，以10℃/min的升温速率升温至500℃，在500℃下保持裂解炭化5h，冷却至室温，最后研磨过0.25mm筛，得到水稻秸秆生物炭；

氯丙基功能化改性的水稻秸秆生物炭的制备：取1重量份数的水稻秸秆生物炭，向水稻秸秆生物炭中依次加入重量份数的1.2重量份数的去离子水、30重量份数的无水乙醇、0.85重量份数的3-氯丙基三甲氧基硅烷，首先搅拌反应6h，然后加入NH

聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭的制备：把5重量份数的聚天冬氨酸(相对分子量4000、固体含量40％)加入到95重量份数的去离子水中，向上述溶液中加入1重量份数的氯丙基功能化改性的水稻秸秆生物炭，超声分散10min，在80℃下搅拌冷凝回流6h，之后采用去离子和无水乙醇洗涤产物三次，在温度60℃下干燥至恒重，得到聚天冬氨酸功能化改性的水稻秸秆生物炭，其分子构型如图2和图3所示。

实施例2：

改良剂Ⅱ-支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土的制备：

活化的凹凸棒土的制备：把1重量份数的凹凸棒土分散在15重量份数的去离子水中，持续搅拌2h、静置2h，去除上层悬浮杂质，之后向上述溶液中加入15重量份数的去离子水和10重量份数的双氧水(浓度30％)，持续搅拌5h，离心获得纯化的凹凸棒土，向该纯化的凹凸棒土中加入1.5重量份数的盐酸(浓度37.5％)和13.8重量份数的去离子水，超声分散0.5h、并且在80℃下持续搅拌5h，采用去离子和无水乙醇洗涤至中性，在温度70℃下干燥至恒重，得到活化的凹凸棒土；

氨丙基功能化改性的凹凸棒土的制备：把1重量份数的活化的凹凸棒土加入到50重量份数的甲苯中，超声分散15min，在氮气(60mL/min)的保护下，把混合溶液升温至110℃，加入2重量份数的3-氨丙基三甲氧基硅烷，并且在110℃保持搅拌反应12h，之后过滤、用无水乙醇提纯、在温度70℃下干燥至恒重，得到氨丙基功能化改性的凹凸棒土，其结构如图4所示；

制备炔基化功能单体M-alkynyl：把1.36重量份数的季戊四醇、4.93重量份数的5-己炔酸、0.07重量份数的对甲苯磺酸、2.2重量份数的环己烷带水剂加入到带有温度控制装置、分水装置、氮气保护装置和机械搅拌装置的反应器中，开启机械搅拌、氮气保护、分水装置，升温至140℃，在140℃下反应5h，产物进行水洗，减压蒸馏得到炔基化功能单体M-alkynyl，其化学结构式如图5所示；

制备支化型羧基功能单体M-Carboxylation：把5.12重量份数的功能单体M-alkynyl、7.36重量份数的巯基乙酸、100重量份数的氯仿加入到反应器中，超声震荡之后加入0.25重量份数的651光引发剂，抽真空充氮气循环3次后密封，在紫外光作用下(365nm、10mW/cm

支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土的制备：在氮气(60mL/min)的保护下，向反应器中加入100重量份数的二氯甲烷和5重量份数的支化型羧基功能单体M-Carboxylation，恒压滴加20重量份数的氯化亚砜，之后加入1重量份数的氨丙基功能化改性的凹凸棒土，在室温下反应2h，过滤，依次用二氯甲烷、去离子水洗涤，并于50℃条件下干燥至恒重，得到支化型羧基功能单体M-Carboxylation功能化改性的凹凸棒土，其分子构型如图7所示。

实施例3：

本发明中各个测定项目指标所使用的测定方法具体如下：

(1)根据《土壤农化分析》测定土壤的酸碱度(电位测定法)、以及土壤中钙浓度、镁浓度和磷浓度；

(2)根据《土壤阳离子交换量的测定三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》(HJ 889-2017)，测定土壤中阳离子CEC；

(3)根据《土壤和沉积物12种金属元素的测定王水提取-电感耦合等离子体质谱法》(HJ 803-2016)，测定土壤中镉总浓度和锌总浓度；

(4)根据《土壤8种有效态元素的测定二乙烯三胺五乙酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 804-2016)，测定土壤中镉有效态浓度和锌有效态浓度；

(5)植物中镉、锌、钙、镁、磷、钾、硫的测定：0.1g样品用5mL硝酸和1mL双氧水消解，采用ICP-MS测定；其中，植物标准样品：GBW07603(GSV-2)灌木枝叶成分分析标准物质；

(6)植物重金属超富集的过程参数包括：重金属在植物体内的浓度，植物对重金属的生物富集系数，植物对重金属的积累量(评判修复效果的最终指标)；

其中，植物对某重金属元素的生物富集系数BCF是表明植物特定部位吸收富集重金属能力强弱的指标，其公式为：

BCF

其中，C

BCF

C

其中，C

实施例4：

供试土壤条件：Cd(>29mg/kg)和Zn(>1100mg/kg)复合重度污染的弱碱性(pH＝7.6)土壤；

供试植物：木本植物为栎树，其具体包括白栎和娜塔栎。

实施例5：

不添加任何改良剂，在实施例4的供试土壤中分别种植白栎和娜塔栎幼苗，定期除草除虫，不另外施加肥料，连续3年测定所种植白栎和娜塔栎中的镉锌含量，观察白栎和娜塔栎分别单独对于镉锌复合污染土壤的修复效果，并且按照实施例3中的方法进行各项数据的测定，其具体结果如下表1-1至1-7所示。

表1-1用于种植栎树的土壤性质(土壤中未添加任何改良剂)

表1-2在未添加任何改良剂土壤中所种植栎树的生长情况(各个测定项目指标为所种植全部栎树的平均值)

表1-3在未添加任何改良剂土壤中所种植栎树各部位的镉锌浓度

表1-4在未添加任何改良剂土壤中所种植栎树的各部位矿质元素浓度

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表1-5在未添加任何改良剂土壤中所种植的栎树中镉锌的积累量

表1-6在未添加任何改良剂土壤中所种植栎树的根部对镉锌的生物富集系数

表1-7在未添加任何改良剂土壤中所种植栎树的地上部对镉锌的生物富集系数

实施例6：

添加改良剂Ⅰ，按照22.5t/hm

表2-1用于种植栎树的土壤性质(土壤中添加改良剂Ⅰ)

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表2-2在添加改良剂Ⅰ的土壤中所种植栎树的生长情况(各个测定项目指标为所种植全部栎树的平均值)

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表2-3在添加改良剂Ⅰ的土壤中所种植栎树各部位镉锌浓度

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表2-4在添加改良剂Ⅰ的土壤中所种植栎树各部位矿质元素浓度

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表2-5在添加改良剂Ⅰ的土壤中所种植的栎树中镉锌的积累量

表2-6在添加改良剂Ⅰ的土壤中所种植栎树的根部对镉锌的生物富集系数

表2-7在添加改良剂Ⅰ的土壤中所种植栎树的地上部对镉锌的生物富集系数

实施例7：

同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ，按照22.5t/hm

表3-1用于种植栎树的土壤性质(土壤中同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ)

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表3-2在同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ的土壤中所种植栎树的生长情况(各个测定项目指标为所种植全部栎树的平均值)

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表3-3在同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ的土壤中所种植栎树各部位的镉锌浓度

表3-4在同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ的土壤中所种植栎树各部位矿质元素浓度

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表3-5在同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ的土壤中所种植栎树中镉锌的积累量

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表3-6在同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ的土壤中所种植栎树根部对镉锌的生物富集系数

表3-7在同时添加改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ的土壤中所种植栎树地上部对镉锌的生物富集系数

实施例8：

根据表1-3、表2-3、表3-3中数据绘制得到图8、图9；

根据表1-5、表2-5、表3-5中数据绘制得到图10；

根据表1-6、表1-7、表2-6、表2-7、表3-6、表3-7中数据绘制得到图11。

实施例9：

根据根据表1-2、表2-2、表3-2可知，不管是改良剂Ⅰ单独作用、还是改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ复配作用，两种作用方式均能够显著改善白栎和娜塔栎的生长情况；

根据图10可知，不管是改良剂Ⅰ单独作用、还是改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ复配作用，两种作用方式均能大幅度提高白栎和娜塔栎两种木本植物中镉锌的积累量，即提高了白栎和娜塔栎对镉锌复合污染土壤的修复效率，结合表1-5、表2-5、表3-5可以发现，改良剂Ⅰ单独作用对白栎修复效果促进更大，改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ复配作用能更好地提升娜塔栎对镉锌的积累效率；

根据表1-1、表2-1、表3-1可知，土壤中总镉浓度和总锌浓度随着所种植栎树生长时间的不断累加，总体均呈现出波动状态，但是土壤中有效态镉浓度和有效态锌浓度随着所种植栎树生长时间的不断累加，总体均呈现出下降趋势，结合图10可以推断：不管是改良剂Ⅰ单独作用、还是改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ复配作用，两种作用方式均存在降低镉锌有效态含量的钝化效应、并且同时也存在提高镉锌有效态含量的活化效应；

根据图8、图9、图11、并且结合根据表1-6、表1-7、表2-6、表2-7、表3-6、表3-7可以发现，娜塔栎中各部分对于镉的积累效率显著优于白栎中各部分对于镉的积累效率，栎树的根部对于锌的积累效率随着所种植栎树生长时间的不断累加显著优于其茎部和叶部；

根据根据表1-4、表2-4、表3-4可知，不管是改良剂Ⅰ单独作用、还是改良剂Ⅰ和改良剂Ⅱ复配作用，两种作用方式均对于栎树各部位矿质元素的吸收具有一定的促进作用。