文摘

本研究旨在阐明铅释放的大小lead-sorbed动物粪便堆肥(AMC)根际土壤与nonplanted射击场。荞麦的存在导致根际土壤pH值和减少水平的增强土壤水溶性有机碳与nonplanted相比。此外,荞麦的存在改变了可溶性的主要阶段和相对量增加可交换的分数,导致CaCl增加₂可溶性铅含量。相比之下,羊草的存在并没有改变的生物利用度或阶段而nonplanted土壤。铅释放测试解决方案表明,溶液酸度解决方案5和7之间的铅量释放堆肥是荞麦的根际土壤高于nonplanted土壤,而没有显著区别羊草和nonplanted土壤根际的土壤。这些结果表明,可交换的数量的增加导致根际效应产生的诱发导致固定化的AMC remobilized。因此,AMC应该应用于土壤含有植物无法改变射击场土壤中的铅阶段。尤其应该努力确保铅不能转化为可交换的阶段。

1。介绍

射击场,土壤的铅来源于花子弹通常积累在非常高的浓度,造成沉重的铅污染土壤中。拍摄活动继续在岐阜Tajimi射击场,日本;然而,它的活动被禁止后检测射击场的沉重的铅污染。典型的toxic-metal-contaminated土壤修复的方法是在日本开挖和运输至垃圾填埋场。然而,射击场有广泛的区域和一个非常低的资产价值由于其位置远离居民区。因此,这种方法不能应用由于其相对较高的成本,导致禁止进入射击场。

化学固定技术代表着一个简单的和环保的方法预防有毒金属的浸出受污染的土壤。自从从土壤中有毒金属不被固定后,剩余的土壤中,固定的更好理解机制,也就是说,不溶性的形成阶段的材料和随后的解散有毒金属从土壤变化后的材料参数,如土壤pH值和oxic-redox条件,重要的是提高固定的可靠性技术(1]。

动物粪便是最丰富的有机废弃物,主要来自牛、猪和家禽养殖场在日本。动物粪便的数量估计每年生成吨鲜重,这与在日本约25%的有机废弃物(2]。因此,有必要回收动物粪便来减少废弃物。动物粪便堆肥(AMC)研究来评估其潜在的使用作为一个固定材料(3- - - - - -7]。AMC不仅能够固定土壤中的有毒金属(3- - - - - -7),但也有优点,无机固定化材料没有;即AMC包含有机物质和营养物质可以刺激植物生长和土壤微生物活动受到金属毒性(8- - - - - -11]。尽管这些优势可能鼓励AMC的应用到受污染的土壤,固定的机制所知甚少AMC (12,13)与其他无机和有机废物材料相比14),特别是AMC的适用性射击场土壤铅的再活化,曾经由AMC固定化。

Katoh et al。13,15,16)进行了一些研究,阐明机制导致固定的AMC使用专门的无机和有机成分分离AMC理解AMC的合适的化学性质来固定土壤铅在射击场。无机成分的研究显示AMC固定会更有效地比有机组件(13]。高磷含量猪粪堆肥的无机成分有效地固定铅,因为铅磷酸盐矿物沉淀的溶解度较低的产品。此外,成熟的牲畜肥料使有机成分更适合领导固定产生的水溶性有机质减少,因为这可以增强流动性。基于这些结果,Katoh et al。13,15)表明,堆肥,包含一个无机磷水平高的内容,如猪的粪便堆肥,经历了成熟的有机组成部分,如牛的粪便堆肥,是最适合固定土壤中的铅。此外,他们指出,无机/有机成分的比例25日:75年是适合两个固定铅和恢复射击场土壤微生物活动(16]。此外,它表明,这种AMC可以减少土壤中铅生物利用度,从而减少铅吸收的植物(15]。然而,这些结果并不提高AMC作为固定化材料的可靠性,因为铅、固定化后,可能会被remobilized土壤环境的变化(17]。

土壤和植物之间的接口被称为根际;在这个地区,根系活力极大地影响土壤环境。物理、化学和生物学性质的根际土壤不同于那些不包含植物的土壤。植物根系穿透土壤,散发出有机物如有机酸、糖类、氨基酸和酶,可以改变土壤的pH值、氧化还原电位、微生物活动、生物量、有机质含量、微量元素的化学形态(18]。因此,铅固定化AMC的无机和有机成分有潜力成为remobilized在根际土壤。例如,有机质的分解导致铅的增强版本,这些微生物在有机物质(19]。大量的铅溶解于磷氯铅矿的有机酸性水的存在,尽管磷氯铅矿是最稳定的主要矿物质之一(20.]。此外,pH值变化影响铅的吸附/解吸行为到土壤中无机和有机材料(21,22]。因此,如果领导固定化在AMC暴露在根际效应,导致可能remobilized;然而,我们所知,这发生的程度还没有被调查。需要调查的根际效应导致固定加强固定的可靠性由AMC,因为铅一旦固定化AMC暴露在原生植物的根际效应在射击场土壤。

我们已经调查了生物利用度、阶段和释放AMC-sorbed铅在植物根际土壤特征与高或低公差铅毒性增加。我们旨在澄清的大小领导释放lead-immobilized AMC散装在根际土壤与土壤。获得的结果的基础上,我们将讨论铅固定化技术在射击场中使用AMC土壤。

2。材料和方法

2.1。整地

与光棕色森林土粘土质地收集从5 - 15厘米深处从35°22′13′′N, 137°42 8′′′E Tajimi、岐阜,日本,作为植物栽培的基本土壤。抽样地点附近的一个射击场但没有被铅污染。在使用前,土壤pH值调整到7使用碳酸钙。这样做是为了调整使用的堆肥土壤pH值匹配,因为pH值显著提高或降低铅迁移和生物利用度23]。土壤风干,通过一个2毫米筛,并保持在室温下培养前测试。表1显示选定的土壤化学性质。土壤的总含铅量等于21的背景水平毫克公斤⁻¹最后土壤pH值为6.9。

2.2。的分馏的无机和有机成分和制备Lead-Sorbed模拟堆肥

在这项研究中,堆肥是由混合的无机分数猪粪堆肥和牲畜粪便堆肥的实有机分数。我们选择这些堆肥分数,因为每个分数可以比其他混合物(固定铅更有效和强烈13]。商业猪和牛的粪便堆肥(Fujimi Kogyo有限公司日本)被用来获得无机和实有机分数,分别。有机质含量和pH值在猪和牛的粪便堆肥是747和850毫克g⁻¹和8.0和6.9分别和其他化学性质的堆肥之前已报告(13]。堆肥分馏后Katoh描述的方法等。13]。简单地说,商业猪粪堆肥燃烧2 h的600°C。燃烧后的残留物收集和使用无机肥料分数。商业牲畜粪便堆肥受到提取1 M盐酸(1:50固体/液体比)1 h将几乎所有的酸溶性无机和有机堆肥的分数(24]。提取后的残渣收集和用作有机堆肥分数。

分离后,铅是这些分数。无机和有机分数被添加到聚丙烯(PP)管包含2和20 g-Pb / L, Pb(没有分别₃)₂在5毫米KNO₃(5)pH值1:50固体/液体的比例。分数被动摇24 h和pH值调整到5。离心(5000 rpm, 5分钟)后,存款收集和超纯水洗五次,和pH值调整到7使用KOH 0.001 - -0.1米,和存款被风干,经过0.5 mm筛。表2显示选定的化学性质lead-sorbed分数。lead-sorbed无机和有机分数混合的比例1:3,混合样本用作lead-sorbed堆肥。无机和有机的混合比铅分数是一个合适的比例固定(16),在日本AMC的平均值25]。

2.3。植物生长试验

一个植物生长在15毫升PP管进行测试。管底部被切断,棉花是放在底部。lead-sorbed堆肥是能很好地与土壤混合,给最后一个铅浓度1000 mg-Pb公斤⁻¹的比例,这与15.8 g的lead-sorbed堆肥一公斤的土壤。到每个管放置12.5 g的土壤,和荞麦种子(Fagopyrum esculentum)或羊草(黍最大j .)播种。管没有植物也准备控制。此外,植物也生长在土壤,不包含lead-sorbed堆肥。三个管准备每个治疗。发芽后,植物变薄,每管是一种植物生长3个月25°C(室温),14 h光周期使用40 W园艺灯。包含10 mg / L KNO超纯水₃从底部的灌溉管30分钟到1 h每隔两天。植物生长完成后,在地面上的植物被切断,株高测量,然后拍干,重。总铅浓度干芽决心。土壤样品收集管。本研究定义整个土壤样本收集从每个管根际土壤,因为里面的管子完全覆盖着植物根系。收集土壤样本风干和通过一个2或0.425毫米筛前化学分析和领导发布测试。

2.4。为根际土壤铅释放测试

植物生长的时期后,从根际土壤含铅释放动力学lead-sorbed堆肥进行调查后章描述的方法和瑞安26]。短暂,1.0 g样本AMC-containing土壤中植物的生长或不生长添加到烧杯中包含1 L 0.1纳米₃在pH值3、4、5、6、7。土壤样本,通过0.425毫米筛。土壤的添加后,激动人心的开始,而样本的pH值调整到±0.2的目标使用0.01 M氢氧化钠或HNO pH值₃。10毫升整除的悬架是1 - 90分钟的采样间隔,通过0.45μm滤波器,分析确定铅浓度使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(icp - aes);ULTIMA2;HORIBA有限公司、日本)。

2.5。分析方法

的pH值和电导率(EC)土壤样品测定超纯水的固体/液体比1:10用酸度计(MM-60R;DKK-TOA有限公司、日本)。土壤质地是决定使用比重计法(27]。总碳和总氮(TC和TN, resp)土壤和堆肥的内容部分样品测定使用碳,氢,氮(中文)元素分析仪(MT-6;Yanaco新的科学有限公司、日本)。水溶性有机碳(WSOC)从风干土壤和堆肥中提取一部分样品使用超纯水的固体/液体比1:10和分析用总有机碳(TOC)分析仪(TOC-VWS;日本岛津制作所有限公司)。CaCl₂可溶性铅是使用0.1 CaCl从风干土壤中提取₂固体/液体的比例1:10并使用icp - aes分析了。无定形铁提取使用舒曼的方法(28]。总土壤中元素的内容,工厂拍摄,测定堆肥分数与HNO酸性消化₃和盐酸使用微波炉。顺序提取过程进行风干土样(0.425毫米)根据Tessier等描述的过程。29日]。简而言之,每个分数与1 M MgCl提取₂解决方案(可交换的一部分),1米醋酸钠溶液pH值5(碳酸盐分数),0.04 NH₂OH-HCl 25% (v / v)霍阿克在95°C水浴偶尔搅拌(铁/锰氧化物分数),0.02 HNO₃和5毫升30% H₂O₂解决方案在85°C水浴偶尔搅拌(有机分数),和5毫升HNO₃使用微波炉和2毫升盐酸(剩余部分)。所有的提取和消化解决方案通过一个0.45μm使用icp - aes过滤和分析来确定元素浓度。

2.6。统计分析

统计分析用JMP 8.0.2版本。(美国SAS研究所Inc .)。方差分析(方差分析)进行了比较植物芽的高度和干重,土壤pH值、WSOC, CaCl₂土壤中可溶性铅和铅的比例溶解在解散测试。平均值之间的差异是决定使用图基的诚实的显著差异(HSD)测试在95%置信水平。

3所示。结果与讨论

3.1。植物生物量

表3显示了拍摄生物量和铅浓度对植物生长在根际土壤有或没有lead-immobilized堆肥。荞麦种植的拍摄高度和干重lead-immobilized堆肥的存在并没有明显不同于那些没有堆肥。然而,铅浓度在荞麦种植在lead-immobilized堆肥的存在是相对较高的891μg g⁻¹。荞麦是容忍高水平的铅和作为铅hyperaccumulator,这是定义为一个包含超过1000个工厂μg g⁻¹铅在其芽(30.]。因此,在根际土壤包含lead-immobilized堆肥、植物生长没有抑制铅毒性,尽管吸收的铅是荞麦根。相比之下,lead-immobilized堆肥的存在导致羊草生长抑制,作为这个物种表现出低铅公差(31日]。

在这两种植物类型,从根际土壤铅被吸收,即使土壤中的铅主要是固定和不溶性,说明根际效应改变了固定化导致增加生物利用度。大部分被土壤中修改AMC,铅吸收抑制在同一水平上的无机固定材料(15]。根据Katoh et al。32),在根际土壤修正与羟磷灰石无机肥料的主要成分分数在这项研究中的应用(13),导致没有被植物根吸收。这是因为铅是固定化的羟磷灰石,主要是沉淀磷氯铅矿,低溶度积((14])。此外,在这项研究中,铅的浓度在荞麦(891μg g⁻¹比之前报道(4200)较低μg g⁻¹(30.]),这表明很大一部分铅固定化的无机堆肥组件不是由根际效应改变的生物利用率。因此,铅吸收的植物最好解释部分铅释放lead-immobilized堆肥的有机部分。的铅释放lead-immobilized堆肥有机分数是在后面的小节中详细讨论有关土壤中铅阶段。

3.2。土壤pH值、水溶性有机碳(WSOC) CaCl₂可溶性铅和铅的阶段

荞麦根际土壤的pH值和没有lead-immobilized堆肥是5.6和6.1,分别,这是远远低于羊草的根际土壤和nonplanted土壤(表4),这表明荞麦的根际效应引起的pH值降低。

根际土壤中WSOC荞麦的水平明显高于nonplanted土壤(图1(一)),而水平的根际土壤中WSOC羊草是高但不显著不同,在nonplanted土壤。的更高层次的WSOC荞麦根际土壤对双方都是由于水溶性有机物的释放从根和分解的有机堆肥的一部分。CaCl的数量₂根际土壤中可溶性铅荞麦明显高于根际土壤中羊草和nonplanted土壤(图1 (b))。CaCl的数量₂根际土壤中可溶性铅羊草略高于nonplanted土但没有明显不同。

图2显示了领先分数记录在连续的痛苦。平均回收率,在这项研究中定义为每个分数的总和水平的比值(图2)土壤中铅的总体水平(1000毫克公斤⁻¹),是%。中每个部分的比率nonplanted包含lead-sorbed堆肥土壤交换比例是8%,28%碳酸分数,28%的铁/锰氧化物分数,13%的有机部分,23%,剩余分数,证明36%的铅在土壤中(可交换和碳酸盐分数)出现在相对可溶性状态。根据其他研究[15,16],其中的铅分布顺序提取土壤调查使用被修改了AMC,剩余和可交换的分数范围从17%到49%,从0%提高到1%,分别。剩余和可交换的分数在这项研究是兼容与之前报道,尽管lead-immobilized堆肥应用于noncontaminated土壤在这项研究。此外,有机废弃物污染土壤的应用阶段改变导致更多的不溶性状态(33,34]。每个分数的分布,特别是交换和碳酸盐分数,根际土壤中羊草几乎是一样的,在nonplanted土壤,表明羊草的生长没有影响根际土壤中的铅阶段包含lead-immobilized堆肥。相比之下,可交换的分数占20%的根际土壤中铅的荞麦,而碳酸盐和铁/锰氧化物的比率分数降低土壤与nonplanted相比。这些结果表明,荞麦的增长导致的增加的数量可交换包含lead-sorbed堆肥的根际土壤中的铅。

根际土壤的化学和生物特性明显不同于nonplanted土壤由于根分泌,改变了氧化还原电位,微生物活动、生物量、和元素的化学形态(18]。荞麦、根际土壤的pH值下降的价格相比nonplanted土壤。此外,根际土壤中WSOC荞麦的水平明显高于nonplanted土壤。因此,这种荞麦根际土壤的变化会引起铅在堆肥更可溶性固定化;可交换的比例分数增加,导致观察到增强CaCl水平₂可溶性铅。正如在前一节中所讨论的,导致固定化的无机部分堆肥相对稳定对化学和生物土壤的变化。因此,导致固定的有机堆肥的分数将负责交换增加分数序列拔牙和CaCl水平₂可溶性铅。铅,这些有机物质上与表面络合基团如羧基组(12];pH值下降然后原因导致这些到有机物质被释放(12,35]。此外,lead-sorbed有机物质是有机质的分解的情况下重新分配的铅,这些[19]。因此,荞麦、根际土壤的高根际效应可能引起pH值降低,增强微生物分解的有机物由于水溶性有机物的高水平,导致导致被释放从堆肥的有机部分。相反,在羊草的根际土壤,相对较低的根际效应可以解释缺乏显著增强CaCl水平₂可溶性铅和缺乏变化的分布序列中的每个部分痛苦。

3.3。领导从根际土壤释放

图3显示了荞麦的铅从根际土壤释放和羊草,nonplanted土壤含有lead-immobilized堆肥作为接触时间的函数。铅量的增加而增加的时间所有的土壤和小灵通的解决方案。此外,同样的土壤,增加溶液的pH值下降导致了铅的释放。除了pH值3,可能是看到领导发布的数量在一个特定的pH值跟踪订单的荞麦>根际土壤根际土壤羊草= nonplanted土壤。表5显示铅释放的百分比在90分钟的比例总含铅量(1000毫克公斤⁻¹)在土壤中。在pH值3,58% - -60%的铅在土壤中被释放,并观察土壤之间没有显著差异。羊草和nonplanted根际土壤的土壤,铅释放减少的百分比增加溶液的pH值,和两者之间的值没有显著不同的土壤。同样,荞麦、根际土壤的铅的百分比发布与增加溶液的pH值降低,但他们明显高于羊草和nonplanted土壤的根际土壤溶液的pH值是5和7之间。评估释放率和初始释放速度,根据pseudo-second-order动力学数据分析了速率方程给出如下: 在哪里是pseudo-second-order速率常数(公斤(mg min)⁻¹),和释放的大量的铅(毫克公斤吗⁻¹)平衡和时间t分别为,是接触时间(分钟)。以下表达式表示初始释放率(毫克): 从分析的结果如表所示6。数据拟合良好pseudo-second-order动力学模型决定系数高,和大量的铅释放平衡估计,增加与减少溶液的pH值在相同的土壤。同样的,最初的释放率进行评估。同样,最初的释放率增加而降低溶液的pH值在相同的土壤。

在pH值5 - 7,更高水平的compost-immobilized铅被释放到根际土壤的荞麦比nonplanted土壤;之间没有显著差异的根际土壤中的铅含量羊草和nonplanted土壤。这些结果符合的结果导致生物利用度筛查和描述的相分析部分3.2。根据序列拔牙(图的结果2)、交换、碳酸盐、铁/锰氧化物分数荞麦和几内亚草和根际土壤的土壤nonplanted代表66%,62%,和64%,分别对应的铅回收的总和的百分比铅在pH值3(表90分钟后发布5)。同样,百分比之和可交换和碳酸盐分数分别为43%,36%,和36%,分别;这些值的百分比大于铅释放在pH值4。这些结果表明,固定化的堆肥可交换被释放,碳酸盐、铁/锰氧化物在pH值分数3和可交换的分数和碳酸盐分数4 pH值的一部分。因此,小的差异的分布可交换的铁/锰氧化物分数可以解释没有显著差异的铅释放每个土壤类型在酸碱3和4。荞麦根际土壤中的可交换的分数和羊草和nonplanted土壤代表20%,9%,和8%,分别总铅的回收,这些值的比例几乎是等于铅释放铅释放试验在pH值5。这表明,铅释放来自可交换的分数在根际土壤和nonplanted土壤pH值5 - 7。因此,可交换的百分比之间的差异主要出现在荞麦和其他土壤根际的土壤将负责的铅量的显著差异在pH值5 - 7领先发布版本测试。这些结果表明,根际效应诱发的百分比的增加导致出现在可交换的阶段,导致AMC-sorbed铅的再活化。因此,AMC应该应用于土壤含有植物无法改变土壤铅阶段出现在射击场。 In particular, efforts should be made to ensure that lead cannot be transformed to the exchangeable phase when AMC is used as an immobilization material in the shooting range soil. However, lead uptake and suppression of plant growth was observed in Guinea grass, despite the fact that lead was not remobilized in the rhizosphere soil. This observation would imply that even miniscule changes in lead bioavailability resulting from a weak rhizosphere effect could be enough to cause an increase in lead uptake by plants. Therefore, it should also be noted that even plants with a low potential to remobilize lead may take up lead immobilized by AMC, even though that lead is not released from the rhizosphere soil to the nonrhizosphere soil.

4所示。结论

拍摄高度和干重的荞麦种植在根际土壤的射击场lead-immobilized堆肥没有显著不同的种植过程中没有使用堆肥,而铅的存在抑制羊草的生长。在植物类型、铅从根际土壤吸收虽然导致固定化的堆肥。荞麦的存在导致根际土壤根际土壤pH值的减少和增加的程度的价格相比WSOC nonplanted土壤。此外,荞麦的存在改变了导致目前阶段;的相对数量可溶可交换的比例增加,导致增加CaCl₂可溶性铅含量。相比之下,羊草的存在并没有显著改变导致生物利用度或阶段。

领先解决方案使用根际土壤中释放的测试显示,导致固定化的堆肥更容易被释放从土壤溶液的pH值较低,无论土壤类型。溶液酸度解决方案5和7之间,铅释放的堆肥荞麦的根际土壤高于nonplanted土壤,而没有显著区别羊草和nonplanted土壤根际的土壤。铅释放之间的根际土壤溶液酸度解决方案5和7将来自可交换的形式。这些结果表明,可交换的数量的增加导致根际效应产生的诱发导致固定化的AMC remobilized。因此,AMC应该应用于土壤含有植物无法改变土壤铅阶段出现在射击场。特别是,应努力确保铅不能转化为可交换的阶段。然而,它应该与低甚至还指出,植物可能remobilize铅可能占用铅固定化的AMC射击场的根际土壤。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究支持的日本促进社会科学(jsp) KAKENHI[批准号23710089)。icp - aes和中文元素分析仪用于化学分析在这项研究提供了在岐阜大学仪器分析分工。作者感谢t·f·李教授和教授山田(岐阜大学)允许TOC分析仪的使用。