AG Advances in Geosciences 2163-3967 Scientific Research Publishing 10.12677/AG.2019.99088 AG-32373 AG20190900000_49002613.pdf 地球与环境
土壤Cd生物有效性及其调控措施研究进展
Soil Cd Bioavailability and Its Control Measures: A Review
侯 林 1 * 林 金兰 1 2 贾 彦龙 1 2 邢 丹 3 2 孙 嘉龙 1 2 宁 增平 4 2 江 南 1 2 刘 小龙 1 2 李 廷婷 1 2 王 宗虎 1 2 解 冉 1 2 贵州理工学院资源与环境工程学院,贵州 贵阳 贵州省蚕业研究所,贵州 贵阳 中国科学院地球化学研究所,环境地球化学国家重点实验室,贵州 贵阳 null 09 09 2019 09 09 823 838 © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 2014 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
镉(Cadmium, Cd)是一种典型、污染范围广的有毒有害重金属元素。Cd的生物有效性与其在环境中的迁移富集、毒性以及环境效应密切相关,调控其生物有效性对Cd污染治理具有重要意义,近年来成为国内外环境科学、农学等领域研究的热点之一。文章对土壤Cd生物有效性评估方法、影响因素及调控措施进行了系统的总结和评述,并对未来的研究方向进行了展望,以期为Cd污染治理提供参考。 Cadmium (Cd) is a typical toxic and harmful heavy metal element, which is widely polluted in China and has a high degree of pollution at the same time. The bioavailability of cadmium is closely related to its migration, accumulation, toxicity and environmental effects in the environment. Regulating its bioavailability is of great significance to the treatment of cadmium pollution. In recent years, it has become one of the hotspot in the field of environmental science and agriculture at home and abroad. On the basis of a large number of previous studies, the assessment methods, influencing factors and control measures of soil Cd bioavailability were systematically summarized and reviewed, and the future research directions were prospected, hoping to provide reference for the control of Cd pollution.
镉,土壤污染,生物有效性,调控措施, Cadmium Soil Pollution Bioavailability Regulation Measures
土壤Cd生物有效性及其调控措施研究进展 侯林1 ,林金兰1 ,贾彦龙1* ,邢丹2 ,孙嘉龙1 ,宁增平3 ,江南1 ,刘小龙1 ,李廷婷1 ,王宗虎1 ,解冉1
1 贵州理工学院资源与环境工程学院,贵州 贵阳
2 贵州省蚕业研究所,贵州 贵阳
3 中国科学院地球化学研究所,环境地球化学国家重点实验室,贵州 贵阳
收稿日期:2019年9月6日;录用日期:2019年9月20日;发布日期:2019年9月27日
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摘 要 镉(Cadmium, Cd)是一种典型、污染范围广的有毒有害重金属元素。Cd的生物有效性与其在环境中的迁移富集、毒性以及环境效应密切相关,调控其生物有效性对Cd污染治理具有重要意义,近年来成为国内外环境科学、农学等领域研究的热点之一。文章对土壤Cd生物有效性评估方法、影响因素及调控措施进行了系统的总结和评述,并对未来的研究方向进行了展望,以期为Cd污染治理提供参考。
关键词 :镉,土壤污染,生物有效性,调控措施
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Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言 生物有效性的概念提出于20世纪末,研究者们对水环境进行研究并认为生物有效态就是生物传输或在生物反应的过程中污染物被利用的难易程度,后来,随着研究的加深,生物有效性的概念慢慢被扩展到土壤和沉积物等固体环境的研究领域中 [1 ]。生物有效性主要强调为重金属元素能对生物体产生的毒性效应或被生物体吸收的性质,包括毒性和生物可利用性,同时生物有效性是一个动态的过程 [2 ] [3 ]。研究Cd生物有效性在污染土壤风险评估、治理和修复方面有着重要的作用,是污染土壤风险评估的重要手段之一,也是用于土壤进行治理和修复的基础 [4 ]。一般来讲,Cd的生物有效性取决于在土壤中的生物可利用态和生物潜在可利用态,Cd的水溶态以及离子交换态是生物可利用态,而碳酸盐结合态、有机物结合态以及铁锰氧化物结合态是生物潜在可利用态 [5 ]。大量研究表明重金属元素能否被生物体吸收利用,主要取决于该元素的有效态,包括离子交换态和碳酸盐结合态含量,有效态含量越高,其生物有效性也越高 [6 ] [7 ]。在土壤或沉积物中,重金属含量存在总量 > 有效态 > 生物有效性 > 生物可给性的关系 [8 ]。土壤Cd环境质量直接关系到人类的生存和健康,因此,Cd生物有效性准确有效地评价方法和治理技术迫切需要。土壤中Cd的迁移富集、生物效应、毒性同它的赋存形态尤其是生物有效性密切相关,调控其生物有效性对土壤Cd污染治理具有重要意义。文章在前人大量研究的基础上,对土壤中Cd生物有效性的评估方法、影响因素及调控措施进行了系统总结和评述,并对未来的研究方向进行了展望,以期为土壤Cd污染治理提供借鉴。
2. 土壤中Cd生物有效性评估方法 生物有效性的研究方法多种多样,不同方法对不同重金属的效果也不同。研究土壤Cd生物有效性常用的研究方法有物理化学法和生物学评价法。物理化学法包括化学提取法、自由离子活度法(DMT)、薄膜扩散梯度技术(DGT)、体外模拟实验法、总量预测法以及同位素法等,生物学评价法包括植物指示法、微生物学指示法、动物指示法。
2.1. 化学提取法 化学提取法的提取方式通常分为一步提取法和连续提取法。化学提取法通过化学试剂浸提土壤中重金属有效态或潜在有效态,通过原子吸收(石墨炉)分光光度仪或电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行测定其含量,以此来研究其生物有效性 [9 ]。化学提取法使用的化学浸提剂主要有弱酸、盐类、络合剂类和联合浸提剂四类。
2.1.1. 一步提取法 一步提取法是利用某一种化学试剂一定浓度的溶液作为提取剂与土壤按照一定的比例混合(土水比,m/v),在特定的环境下(通常为25℃)振荡提取,获得单位重土壤中可被提取的重金属量来表征土壤中可被提取的程度或其有效性 [10 ]。
1) 酸类
酸作为提取剂常用来评估土壤中重金属的生物有效性。常用于土壤Cd生物有效性分析的酸提取剂有0.11 mol∙L−1 HAc、0.43 mol∙L−1 HNO3 、0.05~0.1 mol∙L−1 HCl和低分子量有机酸等 [11 ]。李非里等研究发现HAc提取态虽然与植物中重金属元素相关性好,但不适用于含碳酸盐高的土壤,并且效果不如EDTA好 [12 ]。张厦等研究认为HNO3 提取态Cd代表土壤中植物有效性Cd的最大库,既能用来表征土壤的污染程度,也能够较好地指示Cd的生物有效性 [13 ]。对于土壤中Cd的生物有效性,酸可提取态含量能较好地反映土壤中Cd的生物有效性和迁移性,而在Cd酸提取剂中,HAc、HCl、HNO3 是应用最广泛的提取剂。
2) 盐类
应用于Cd生物有效性分析的盐类提取剂主要是中性盐类比较温和的提取剂。稀盐中0.01 mol∙L−1 CaCl2 和1 mol∙L−1 HH4 OAc提取态可较好地表征土壤中重金属的生物有效性和迁移性,其中0.01 mol∙L−1 CaCl2 提取的重金属最适于评价重金属的可迁移性 [11 ]。在中性盐提取剂中,CaCl2 、NaNO3 和NH4NO3 最受青睐,分别被荷兰、瑞士和德国三个国家列为包含Cd在内重金属生物有效性研究的标准方法 [14 ]。
3) 络合剂类
EDTA、DTPA等有机络合物因为可通过化学络合作用与Cd离子形成稳定的水溶性络合物常被用来作为土壤Cd生物有效性评估的提取剂。EDTA试剂络合能力强,与植物中的金属元素含量相关性较好,不过只适用于酸性土壤 [15 ]。DTPA也被广泛应用于提取土壤中Cd的有效态含量,但DTPA络合能力较EDTA弱,只适用于中性和弱碱性土壤 [12 ]。曹坤坤等研究发现,在10.0 mmol∙L−1 浸提浓度下,中性土壤中各种浸提剂对Cd的浸提能力呈现:EDTA>柠檬酸>苹果酸>草酸>酒石酸 [16 ]。由此可见,对于有机络合提取剂,其提取能力强,尤其是EDTA提取剂,是一种较好的Cd生物有效性评价方法,关键在于根据土壤的类型选取合适的提取剂进行评价。
4) 联合浸提剂类
为了增强浸提效果,在实际研究中常利用联合浸提试剂进行重金属的形态和生物有效性研究。联合浸提剂的组合形式很多,常用于Cd有效态浸提研究生物有效性的有Mehlich-3方法(简称M3法:0.2 mol∙L−1 CH3 COOH——0.25 mol∙L−1 NH4 NO3 ——0.015 mol∙L−1 NH4 F——0.013 mol∙L−1 HNO3 ——0.001 mol∙L−1 EDTA)、土壤养分状况系统研究法(简称:ASI法0.25 mol∙L−1 NaHCO3 ——0.01 mol∙L−1 EDTA——0.01 mol∙L−1 NH4 F)、AB-DTPA法(1.0 mol∙L−1 NaHCO3 ——0.005 mol∙L−1 DTPA)、二乙三胺五乙酸–氯化钙-三乙醇胺缓冲浸提剂(简称CaCl2 -DTPA法:0.005 mol∙L−1 DTPA——0.01 mol∙L−1 CaCl2 ——0.1 mol∙L−1 TEA)等。郭继斌等使用M3法和ASI法对不同土壤进行有效态Cd提取,并与单一浸提剂进行比较,研究发现M3法浸提效果优于ASI法,联合浸提法比常规方法有效态Cd浸出率高,可更有效地研究土壤中的有效态Cd [17 ]。孙鸣镝将AB-DTPA法与CaCl2 -DTPA法进行研究比较,发现AB-DTPA法相关性较好,浸提量和提取效率更高 [18 ]。徐亚平等用联合浸提法和CaCl2 、Mg(NO3 )2 、HCl等7种提取剂对土壤中Cd有效态进行了浸提,联合浸提剂效果明显优于单一试剂提取 [19 ]。
2.1.2. 连续提取法 连续提取法是将一定量土壤经过一系列不同试剂逐步进行提取操作,测定每步提取后的所得提取液中目标元素的浓度,进而获得该步骤对应重金属形态的含量,其中,前一步由某种一定浓度的提取剂在特定条件下提取后所得固体残渣用于下一步的提取,如此连续操作至所有提取步骤结束;连续提取法优点是能够将土壤中的重金属更加详细地区分为多种赋存形态,为进一步深入了解和分析重金属元素在土壤中的形态分布、环境行为与迁移转化情况提供可能 [10 ]。Cd形态常用的顺序提取分析方法包括以下三种:一是,上世纪80年代Tessier等人所提出的连续五步提取法(Tessier法);二是,上世纪90年代Forstner等人提出的连续六步提取法(Forstner法);三是,上世纪末欧共体标准物质局提出的一种三级4步提取法(BCR法) [20 ]。其中,Tessier法和BCR法是研究重金属形态的经典方法。后来,研究们对连续提取法进行了优化,提出了优化连续提取法。连续提取法能较好反映土壤中重金属元素的形态分布情况,在提取剂选择时进行了均衡考虑和土壤标准样的制备,更加适于广泛使用 [21 ]。通过形态分析评估Cd生物有效性常用连续提取法操作程序见表1。
Table 1 Operation procedure of sequential extraction method for soil Cd bioavailability assessmen
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