文摘

本研究旨在确定如何在动物粪便堆肥inorganic-to-organic组件的比率(AMC)的影响导致固定,在被土壤微生物活动。当AMC含有50%或更多的无机部分应用于污染土壤中磷含量高、水溶性铅的含量是抑制了88%从土壤中的值没有堆肥。下的剩余部分顺序提取与AMC的无机分数增加;然而,在这些资产管理公司,微生物酶活性水平是相同的或更少比在控制土壤。AMC含有25%的应用无机分数可能会改变领导阶段更不溶性,同时提高微生物酶活性;但是,没有抑制水平的水溶性铅存在在前30天。这些结果表明,堆肥含高磷50%或更多的无机成分内容适用于固定铅;然而,在低降水的情况预计一个月,AMC含有25%无机组件可以用来固定铅和恢复微生物活动。

1。介绍

铅是最常见的一种有害重金属土壤污染在世界范围内,特别是矿山附近和射击场。铅污染的土壤,这些网站对人类和动物健康造成威胁以及植物生长。因此,其移动性和生物利用度应该减少适当的治疗。此外,土壤生态系统的恢复,已经经历了由铅污染破坏应该通过此类土壤的修复。由于污染这些网站是广泛和资产价值极低,能将铅转化为不溶性的化学固定阶段是一个具有成本效益的remediational方法。因此,各种固定化材料研究和开发(1- - - - - -7]。

动物粪便堆肥(AMC),这是最大量发现有机废弃物在日本,可以固定重金属和改善植物生长和微生物活动8- - - - - -16通过向植物提供养分和土壤生物。因此,除了固定,AMC被土壤中的应用可以帮助恢复土壤生态系统无机固定化材料不能(17]。大量研究调查的有效性AMC铅固定(18,19];然而,一致的结论背后的机制这一过程还没有获得这样的固定,很大程度上取决于AMC类型,也就是说,AMC的物理化学性质。特别是无机和有机成分AMC的存在使它复杂的理解导致固定。

铅由AMC分为固定间接和直接的机制。导致固定的典型的间接机制解释的pH值增加由于AMC的无机成分的碱度;这pH值增加能促进铅碳酸盐和氢氧化物矿物的沉淀,导致减少铅的迁移和生物利用度1,20.]。领导的直接机制由AMC一直被认为是固定的反应与AMC的无机和有机成分。在无机磷、硫酸和铁组件和腐殖质物质似乎AMC的有机成分来源负责与铅反应(10,18,21- - - - - -23]。Katoh et al。24]应用特定的方法分离实无机和有机成分的AMC阐明各自贡献固定。他们表示,AMC的无机成分固定可能会更有效地比其有机成分24]。这些结果暗示了无机组分在固定铅AMC有着至关重要的作用,和AMC高等无机内容更合适。然而,恢复微生物活动,AMC的有机成分也是必需的,因为它提供足够的养分土壤微生物(17]。然而,这个组件可能负面影响导致流动性;水溶性有机物在AMC和铅离子反应,形成复合物,导致增强流动性。因此,一个合适的无机和有机成分比例应该澄清AMC减少铅的迁移和生物利用度,增强土壤微生物活动。华夏基金已广泛inorganic-to-organic组件的比率(25];然而,据我们所知,在AMC inorganic-to-organic组件的最佳比例固定和微生物活动的康复没有被研究过。

我们调查了移动性和生物利用度的铅、铅阶段,和土壤中微生物活动的修改与资产管理公司各种inorganic-to-organic组件比率。无机分数来自猪的粪便堆肥和实有机分数是来自牛的粪便堆肥。这些分数固定会更有效地比其他资产管理公司由于高含量无机磷和有机质成熟的和实有机分数,分别为(24]。我们旨在识别inorganic-to-organic组件AMC的比例是如何影响铅的迁移和生物利用度,引导阶段,和微生物活动。结果的基础上,我们将讨论最优比例的无机和有机成分在AMC固定铅和修复土壤中微生物活动。

2。材料和方法

2.1。整地

所使用的土壤被收集从5 - 15厘米深处一个射击场位于35°28′6′′N和137°29′2′′E在岐阜,日本。风干土样,通过一个2毫米筛,用于化学分析和孵化测试。选择使用的土壤理化性质如表所示1。土壤砂质壤土纹理。土壤的总含铅量为4.40 g公斤⁻¹和土壤pH值为7.3。

2.2。动物粪便堆肥的准备

商业猪和牛的粪便堆肥使用所获得的无机和有机分数实,分别。我们选择这些堆肥堆肥的因为每个分数可以固定铅更有效地比其他混合物(24]。随后的分馏Katoh描述的方法等。24]。总之,猪的粪便堆肥是燃烧在600°C 2 h;燃烧后的残留物被用作无机分数。牛的粪便堆肥受到提取1 M盐酸1 h将几乎所有的无机成分,提取后的残渣是用作实的有机部分。每个分数的pH值调整到7匹配的土壤。表2每个分数(显示选中的化学性质24]。钙、镁、钾、铁、磷含量无机分数是152年,44岁的53岁,7和131毫克g⁻¹分别;此外,总,acid-detergent纤维、胡敏酸、富里酸碳内容实有机分数是452,344年,25岁和52毫克g⁻¹分别为(24]。pH值调整后,分数很好地混合inorganic-to-acid-insoluble有机分数比例的100/0,75/25,50/50,25/75,0/100;此处混合样本作为资产管理公司(以下简称AMC inorganic-to-organic比率的100/0,75/25,50/50,25/75,0/100)。

2.3。Soil-Incubation实验

土壤污染与每个AMC混合样品在10 wt %和孵化在室温(25°C)为184天。土壤没有AMC还准备作为一个控制。三个复制准备每个治疗。土壤的含水量保持在60%的最大持水能力在潜伏期。土壤样本收集在0、7、30日,90年,184天;样本冻干和分析来确定水溶性铅和水溶性有机碳的含量。土壤采样184天被顺序提取和分析评估领导阶段微生物酶活性。,水溶性的水平铅被使用作为一个指示器的铅土壤中的移动性和生物利用度,因为其水溶性的形式很容易移动和利用植物和土壤生物群。

另一个soil-incubation实验进行了评估有限公司₂从土壤中排放与资产管理公司inorganic-to-organic比率的100/0,50/50,0/100。一瓶100毫升聚丙烯包括土壤和AMC,和两个玻璃beakers-one有0.5 M氢氧化钠和其他有0.5 H₂所以₄放入5 L玻璃瓶和孵化在室温(25°C)。一瓶5 L土壤也没有准备。三个复制准备每个治疗。在7天,14日,30、60、120和194年,包含0.5米的玻璃烧杯氢氧化钠被替换为新的0.5 NaOH-containing烧杯。收集到的氢氧化钠滴定盐酸0.2和股份有限公司₂排放计算以下方程: 在哪里公司的数量吗₂发射(摩尔g-soil⁻¹),的数量是0.2 M盐酸滴定(毫升),盐酸是0.2米的因素(mol-CO₂毫升⁻¹),公司的数量吗₂发射的空白(摩尔)的土壤(10.0 g)。的有限公司₂排放源自AMC AMC-treated被减去排放计算的土壤样本,通过控制土壤样本。

2.4。分析方法

土壤的pH值是用超纯水用酸度计(MM-60M、DKK-TOA有限公司、日本)。土壤质地决定使用比重计法(26]。土壤总碳和氮含量测定用碳,氢,氮元素分析仪(MT-6;Yanaco新的科学有限公司、日本)。

中提取的水溶性铅和有机碳在土壤使用超纯水(1:10土壤:解决方案比)和分析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)和总有机碳分析仪(TOC -;日本岛津制作所有限公司)。无定形铁提取使用舒曼的方法(27]。总铅、土壤中磷、铝和铁含量测定与HNO酸性消化₃和盐酸使用微波炉。顺序提取过程进行描述的土壤样本按照程序Tessier et al。28]。总之,每个分数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)有利的解决方案在95°C水浴偶尔搅拌(铁/锰氧化物分数),0.02 HNO₃解决方案,5毫升30% H₂O₂解决方案在85°C水浴偶尔搅拌(有机分数),和HNO 5毫升₃使用微波炉和2毫升盐酸(剩余部分)。所有的提取或消化解决方案通过一个0.45μm滤波器并用icp - aes分析来确定元素的浓度。

三种不同的微生物酶activities-dehydrogenase,土壤脲酶和saccharase-were测量样本。脱氢酶活性测定按照Tabatabai[描述的方法29日用氯化三苯基四氮唑)。用分光光度法测量产生的triphenylformazan 485海里。脲酶活性被坎德尔监控用描述的方法,Gerber (30.)通过测量与尿素生产孵化后的土壤。蔗糖酶活性决定按照描述的方法是私生子,约翰逊(31日]。

2.5。统计分析

统计分析用JMP版本。8.0.2 (SAS研究所Inc .)。方差分析是用来衡量微生物酶活性。平均值之间的差异是决定使用图基的诚实的显著差异在95%置信水平测试。

3所示。结果

3.1。土壤pH值、水溶性铅、并与AMC土壤中有机碳

控制土壤的pH值没有明显改变,范围从7.5到7.7在潜伏期(表3)。此外,土壤pH值在所有的资产管理公司没有显著不同于控制,表明土壤pH值并不影响增强或降低与AMC铅土壤中的移动性和生物利用度。

图1(一)显示了大量的水溶性与AMC铅在土壤中。水溶性的数量控制土壤中的铅从35到44毫克公斤不等⁻¹在潜伏期。土壤中水溶性的铅处理AMC的inorganic-to-organic 0/100的比例高于在控制土壤在潜伏期。的水溶性铅在土壤中被AMC inorganic-to-organic 25/75的比例等于或上级比控制土壤在30天之前,但它下降到36%,在控制土壤在184天。水溶性铅在土壤样品的数量被AMC inorganic-to-organic比率的50/50,75/25,100/0是3.4% - -12%,-0.8%,0.1%和0.1% - -0.2%,分别控制土壤的价值。土壤水溶性有机碳的数量显示在图1 (b)。在潜伏期的开始,大量的水溶性有机碳在土壤处理不同的AMC成分按照以下顺序排列:无机/有机= 0/100 >无机/有机= 25/75 >无机/有机= >无机/有机50/50 = 75/25 > >控制无机/有机= 100/0。土壤水溶性有机碳的数量被AMC inorganic-to-organic比率的50/50,75/25,100/0仍在他们的初始值在潜伏期。土壤水溶性有机碳的含量,AMC待inorganic-to-organic 0/100和25/75的比率在0和7天内迅速下降,之后逐渐减少观察。水溶性有机碳的减少天0和184之间的1071和615毫克公斤⁻¹在inorganic-to-organic比例分别为0/100和25/75。

3.2。有限公司₂发射从土壤和AMC修改

累积有限公司₂排放来自AMC如图2。有限的水平₂排放的AMC inorganic-to-organic 0/100的比例增加的早期阶段中孵化,然后保持在大约500 mg-C公斤⁻¹。的有限公司₂排放趋势从AMC inorganic-to-organic 50/50和100/0的比率是相似的;他们初略增加孵化,然后保持在大约100 mg-C公斤⁻¹。

3.3。引导顺序提取阶段的被土壤

图3显示了领先分数的结果下顺序提取。平均回收率,这里定义为每个分数的总和水平的比值(图3)土壤中铅的总体水平(表1),是%。控制土壤的组成如下:12.8%可交换的分数,51.2%碳酸分数,20.7%铁/锰氧化物分数,9.3%的有机部分,和6.0%的剩余部分。有机分数的百分比的顺序提取土壤中被AMC的inorganic-to-organic比0/100的价格相比增加了控制土壤,而碳酸盐下降。的AMC更高比例的无机部分导致了更大的提高剩余百分比。此外,在土壤与资产管理公司包含25%或更多的无机部分,有机分数的百分比在同一水平,控制土壤。

3.4。在被土壤微生物酶的活动

土壤中脱氢酶和脲酶活动被AMC inorganic-to-organic比率的0/100和25/75,分别显著高于在控制土壤;然而,这些土壤中的治疗由AMC inorganic-to-organic 75/25和100/0的比率显著降低或在同一水平(图4)。

4所示。讨论

4.1。作用的有机成分在动物粪便堆肥微生物的固定化和康复活动

土壤中水溶性铅水平被AMC的inorganic-to-organic比0/100没有成为控制低于土壤在潜伏期(图1(一)),而顺序提取土壤中的铅阶段的改变更不溶性;有机分数增加(图3)。此外,早期的孵化,水溶性领先水平保持在一个更高的水平在土壤中被AMC inorganic-to-organic比例的25/75。然而,水溶性铅含量下降随着培养时间的增加土壤和堆肥。这些观察可以解释为更高层次的水溶性有机物及其吸附和分解土壤中从而增加了培养时间。水溶性有机物很容易形成复合物与铅离子及其复合物可以提高土壤中的铅迁移(17,32,33]。因此,在孵化的早期阶段,高水平的水溶性有机碳会导致铅土壤中的移动性的增强被AMC inorganic-to-organic比率的0/100和25/75。水溶性有机物是源自于堆肥含腐殖酸和富里酸分子量较低(34,35]。这些有机化合物也容易可分解和土壤表面,这些36,37]。根据公司的结果₂发射(图2),公司的数量₂排放较低的水溶性有机carbon-decrease从天0到184年,这表明一些水溶性有机物来源于堆肥分解,有些是土壤中,这些增加的潜伏期。因此,水溶性铅水平会降低,土壤水溶性有机碳被AMC inorganic-to-organic比率的0/100和25/75。已经知道堆肥修正案感应非常短期的浸出脉冲的铅(应用程序后38],铅被分配给土壤成分溶解有机物的分解(39]。这些结果表明,AMC的有机成分不大大有助于固定的铅和铅抑制流动性和生物利用度。这是比较的结果施瓦布et al。19)和Levonmaki et al。40)报道,水溶性有机物增强流动形成的络合。然而,这里所有的微生物酶活性测定土壤中治疗增加了AMC inorganic-to-organic 0/100的比例,尽管水溶性导致更高的水平。脱氢酶的活动,这是一个总体微生物活动的指标(8,9,41- - - - - -43),在土壤中被AMC含有50%或更多的无机部分的水平,在控制土壤,表明AMC的无机成分没有明显有助于提高微生物活性,尽管铅迁移和生物利用度大大减少了其加法。法雷尔et al。44)还表明,土壤中的微生物酶活性修订的堆肥成为高于无机材料。水溶性有机质来源于堆肥是利用微生物作为营养来源;因此,AMC高有机质含量的增加会引起微生物活动的恢复由于大量的容易可分解的有机物质。

4.2。无机成分的作用在动物粪便堆肥固定

添加含有50%或更多的AMC无机部分水溶性导致减少了88%以上在潜伏期(图1(一))。此外,除了含有25%或更多的AMC无机分数可能会改变导致阶段更不溶性。这些结果表明,AMC含有50%或更多的无机部分固定铅和减少土壤中的铅生物利用度。此处使用的无机部分含有大量的磷,导致铅的降水磷酸盐矿物,如磷氯铅矿(24]。磷氯铅矿是热力学稳定的溶度积(45]。因此,在AMC的无机磷组件负责剩余分数的百分比的增加,降低水溶性领先水平。这是由沃克的结果等。10),刘等人。11],克莱门特et al。18),建议固定的铅和镉会由于不溶性磷酸盐的沉淀。铁/锰氧化物和有机分数的百分比与AMC顺序提取土壤中含有25%或更多的无机分数小于或约等于在控制土壤,虽然剩余分数增加而AMC的无机部分比例的增加。此外,土壤中的无机分数,被AMC含有50%或更少的水溶性有机碳是土壤高于控制。这些结果表明,AMC的无机磷的组成部分可以固定lead-precipitating磷酸铅矿石即使AMC包含比无机有机组件。这可能是由于铅的大小固定的无机成分AMC抑制铅的便利化流动性的大小由AMC的有机组成部分。

水溶性的水平铅在土壤中被AMC的inorganic-to-organic 25/75的比例高于在控制土壤在第一次30天的孵化,而铅阶段改变更不溶性。这是由于不完整的固定。Scheckel et al。46)表明,并不是所有的土壤中铅可以通过磷固定化材料,根据扩展x射线吸收精细结构分析。交换和碳酸盐分数的百分比顺序提取土壤中被AMC inorganic-to-organic比例的25/75是高于50%或更多的土壤被AMC无机分数。土壤水溶性有机碳的含量被AMC inorganic-to-organic 25/75比例也更高,尤其是在最初的30天的孵化。较高的水溶性有机物形成复合物碳酸铅溶解可交换和分数,导致水溶性领导水平的提高孵化的早期阶段。随着培养时间、水溶性有机物分解和水溶性铅水平下降低于在控制土壤。

4.3。最优比无机和有机成分在动物粪便堆肥铅固定和微生物活动的康复

各种无机百分比用于AMC,从7.3到82.8%25]。AMC的无机分数的范围在这个研究属于这个范围。基于本研究的发现,一个无机成分高磷含量50%或更多的需要改变导致阶段更不溶性,减少土壤中水溶性铅水平低于没有堆肥,尽管微生物活动增强。一个无机成分的重要性包括铅在土壤中重金属的固定由其他研究人员指出(21,47,48]。相比之下,25%的无机AMC可以改变导致阶段更不溶性,同时提高微生物活动,而水溶性铅含量高于土壤中没有堆肥后30天在第一次应用程序。这是一致的结果Katoh et al。17),表明25%无机猪粪堆肥的应用可能会改变导致阶段更不溶性和改善植物生长,微生物酶活性;然而,水溶性铅水平高于在牛粪堆肥的早期阶段孵化(应用程序)后90天。这些发现表明,资产管理公司不能固定铅和恢复微生物活动。因此,为了固定铅和抑制铅迁移和生物利用度使用AMC, AMC无机50%或更多,并包含大量磷组件应该应用于受污染的网站。然而,在低降水超过一个月的情况下,例如,在旱季期间,25%无机AMC应该用于固定铅和恢复微生物活动。

5。结论

的水溶性有机土壤中的铅治疗100% AMC仍高于控制土壤在184天的潜伏期,尽管它倾向于减少随着培养时间。的水溶性铅在土壤中被AMC的inorganic-to-organic 25/75的比例高于土壤中没有堆肥在孵化的早期阶段,但它达到一个较低的水平比没有堆肥土壤中后90天。土壤中的大量水溶性铅治疗AMC含有50%或更多的无机部分抑制了88%从土壤中的值在潜伏期没有堆肥和保持在低位。减少土壤中水溶性铅水平的治疗由AMC inorganic-to-organic 0/100和25/75的比率将会解释为水溶性有机物的分解。顺序提取后剩余部分的比例增强,容易可溶性铅分数(可交换和碳酸盐分数)在土壤处理减少了AMC含有25%或更多的无机部分。在土壤处理完全有机AMC,容易可溶性铅分数顺序提取相比并没有改变在控制土壤,而连续萃取的有机分数提高。包含25%或更少的堆肥无机分数可以提高微生物活性,但堆肥无机分数不能含有50%或更多。这些结果表明,肥料含有50%或更多的无机磷含量高的分数适合固定铅和减少土壤中铅迁移和生物利用度。然而,固定铅和提高微生物活动同时,AMC与25%无机和75%有机组件应该被用作固定材料,但请注意,高铅迁移后在初始阶段应考虑应用程序。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

icp - aes和中文元素分析仪用于化学分析仪器在本研究提供的部门在岐阜大学仪器分析。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。本研究支持的日本促进社会科学(jsp) KAKENHI[批准号23710089)。