改性納米黑碳對棕壤有效態(tài)Cu、酶活性和微生物呼吸的影響

劉玉真 成杰民

摘 要：研究了添加改性納米黑碳（MBC）對棕壤中有效態(tài)Cu、呼吸強度和酶活性影響。結果表明，添加MBC降低了棕壤pH 和有效態(tài)Cu含量，且隨著MBC施入量的增加，土壤有效態(tài)Cu含量逐漸降低；MBC的施入，提高了土壤脲酶活性，對過氧化氫酶活性有較弱的抑制作用，對土壤呼吸作用的影響是先增強后減弱，培養(yǎng)后期，呼吸強度與對照無顯著性差異。相關性分析表明，過氧化氫酶活性與有效態(tài)Cu含量之間有極顯著正相關關系，與黑碳施入量之間有極顯著負相關關系，土壤有效態(tài)Cu含量與MBC施入量之間有極顯著負相關關系，說明MBC對棕壤中Cu有較好的鈍化效果，增加了土壤脲酶活性和土壤呼吸作用，在Cu污染土壤修復中具有一定的應用前景。

關鍵詞：改性納米黑碳；棕壤；銅；酶活性

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0578-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.017

Effects of Modified Nano-Black Carbon on Content of Bioavailable Cu（Ⅱ）， Enzyme Activity and Microbial Respiration in Brown Soil

LIU Yu-zhen，CHENG Jie-min

（ School of Population Resources and Environment， Shandong Normal University， Jinan 250014， China）

Abstract： By culture experiment， the effects of modified nano-black carbon on content of bioavailable Cu（Ⅱ）， enzyme activity and microbial respiration in brown soil were studied. The results showed that during the treatment of 60 days modified nano-black， the soil pH and bioavailable Cu concentration decreased. The decreasing trend of bioavilable Cu content was followed by the increasing of added amount. MBC showed a remarkable activation effect on soil urease activity and a weak inhibition on soil catalase activity. The soil respiration increased first and then decreased during the treatment. The respiration rate had no significant difference from the untreated soil at the late period of cultivation. The correlation analysis showed that the catalase activity were positively correlated with concentration of soil bioavailable Cu， but negatively correlated with the amount of modified nano-black carbon negatively correlated with the content of soil bioavailable Cu. It is indicated that MBC had good passivation effect on bioavailable Cu in brown soil and could increase the urease activity and soil respiration. It will have a great value in remediating copper-contaminated soils.

Key words： Modified nano-black carbon （MBC）；brown soil； copper； enzyme activity

黑碳（Black Carbon）是生物體或化石原料的揮發(fā)分在不完全燃燒或高溫熱解時轉化成的產(chǎn)物[1，2]，是具有羧基、酚羥基、羰基等含氧功能團[3]的芳香族化合物。改性納米黑碳（MBC）是黑碳制備過程中采用一定的制備工藝制備的粒徑達到納米級的黑碳，由于其巨大的比表面積、高的活性點位以及優(yōu)良的吸附性能，在環(huán)境污染治理領域得到了廣泛的應用。Yang等[4]用小麥和水稻秸稈焚燒而成的黑碳，對敵草隆的吸收效率是普通土壤的400～500倍；龔兵麗等[5]發(fā)現(xiàn)黑碳對廢水中亞甲基藍染料有較強的吸附能力；王漢衛(wèi)等[6]研究表明黑碳經(jīng)HNO3氧化改性后，C=C和O-H官能團明顯增多，更利于對帶正電荷物質(zhì)的吸附。Borah等[7]等研究了經(jīng)H2SO4改性的黑碳對As5+最大吸附量可達62.52 mg/g。眾多研究[8]表明，納米黑碳具有強的吸附能力，且其在土壤中普遍存在，目前的研究還沒有發(fā)現(xiàn)其對種子發(fā)芽、植物生長有毒害作用。因此，納米黑碳用在重金屬污染土壤的修復中具有廣闊的前景。但納米黑碳經(jīng)氧化改性后引入大量含氧官能團，降低了表面電負性[6]，若將改性納米黑碳應用于修復重金屬污染土壤，對重金屬的鈍化效果以及對土壤微生物活性影響尚未得知。

本研究選擇酸性棕壤作為實驗土壤，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了改性納米黑碳對棕壤中有效態(tài)Cu及土壤呼吸強度、過氧化氫酶活性和脲酶活性的影響，為改性納米黑碳在銅污染土壤修復應用中提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)場煙葉田（已收，未耕作），采樣深度為0～20cm，樣品經(jīng)風干后磨碎過20目篩?；旌暇鶆蚝髢Σ貍溆?。土壤有機質(zhì)7.6%，總Cu 35.8 mg/kg，有效態(tài)Cu 2.80 mg/kg，pH（1∶2.5）5.42，土壤基本理化分析參照文獻[12]。

供試納米黑碳（BC）購自濟南泰龍橡膠有限公司，其吸碘值700～900g/kg，氮吸附比表面積（800～900）×103 m2/kg，平均粒徑30～40 nm，灰分≤5%～8%；65%濃硝酸，高錳酸鉀為分析純。

1.2 改性納米黑碳的制備

稱取10g納米黑碳于250 mL錐形瓶中，加入120 mL 0.2 mol/L酸性高錳酸鉀溶液（酸度為2.67 mol/L），水浴90℃加熱氧化3h。然后將反應產(chǎn)物轉移到500 mL離心杯中，離心去除上清液，用去離子水反復清洗、離心，直到上清液的pH維持穩(wěn)定，移至烘箱中，在60～80 ℃下烘干至恒重后置于干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 培養(yǎng)試驗

試驗設6個處理：對照（CK），不加MBC；加入 0.1% MBC；加入 0.3% MBC；加入 0.5% MBC；加入 0.7% MBC；加入1.0% MBC；改性納米黑碳的加入是混施，即把改性納米黑碳與污染土壤按照設計的比例均勻混合。每個處理 3 次重復。土壤培養(yǎng)所用容器為300 mL 聚乙烯杯子，每個杯子裝混合材料200 g。試驗在（25±1）℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，每隔1 d 用去離子水給土壤補充水分，使土壤水分達到田間持水量的 70%左右。分別在第10、30、60天取樣分析，試驗期為2個月。

1.4 分析方法

土壤中生物有效態(tài)Cu含量測定采用DTPA提取法[12]，土壤pH為6.82～7.32，因此用pH 7.3的DTPA浸提劑提取，提取液離心，過濾，濾液中 Cu2+用火焰原子吸收光譜儀測定。

土壤pH[9]采用電位法測定[9]；有機質(zhì)測定方法采用重鉻酸鉀外加熱氧化法[10]；土壤呼吸強度的測定采用密閉靜置培養(yǎng)法[11]，即利用一定濃度的KOH溶液吸收土壤呼吸作用釋放出的CO2，根據(jù)KOH溶液消耗的量計算出CO2的體積。脲酶活性以1 g土壤在37 ℃培養(yǎng)24 h釋放出NH3-N的毫克數(shù)來表示，采用鈉氏比色法測定[12]；土壤過氧化氫酶活性以1 g土壤、20 min內(nèi)消耗0.1 mol/L KMnO4毫升數(shù)表示，采用高錳酸鉀滴定法測定[13]。

2 結果與分析

2.1 MBC對棕壤中有效態(tài)Cu含量的影響

由圖1可知，與對照相比，施入不同比例MBC處理的土壤中有效態(tài)Cu的含量均有不同程度的降低，且隨著培養(yǎng)時間的增加，緩慢降低。培養(yǎng)60 d后，施入0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和1.0% MBC的處理與未施入材料的對照相比，土壤有效態(tài)Cu分別降低了13.0%、27.8%、29.3%、36.1%、47.2%。

試驗結果表明，施入改性納米黑碳降低了棕壤中有效態(tài)Cu含量，一方面納米黑碳改性后引入了-COOH、-OH等，使含氧官能團增加[14]，可以與Cu2+發(fā)生絡合作用，從而鈍化棕壤中Cu2+，使其有效態(tài)含量降低；另一方面，以往研究表明，當pH從3到8時，MBC的Zeta電位從-20 mV降低到-60 mV，MBC表面所帶負電荷量明顯增多[15]，與未改性納米黑碳比，吸附帶正電荷污染物（Cu2+）的能力增強，降低了土壤中有效態(tài)Cu含量。

2.2 MBC對棕壤過氧化氫酶和脲酶活性的影響

研究表明[14-16]，過氧化氫酶參與土壤生物的呼吸代謝，其活性與土壤微生物數(shù)量、土壤氮、磷、鉀元素的有效性等相關，且在土壤碳、氮、磷循環(huán)過程中起著重要作用，脲酶的酶促反應產(chǎn)物氨是植物氮源之一，其活性可以用來表示土壤供氮能力[17]，因此，本研究通過探討MBC施入對土壤過氧化氫酶和脲酶的活性影響，了解MBC在鈍化重金屬的同時，能否對土壤生態(tài)環(huán)境造成影響，明確MBC在鈍化修復重金屬污染土壤應用中的環(huán)境風險。

由圖2可知，棕壤施入MBC后，其過氧化氫酶活性總體上降低，但不同的施入比例和不同的培養(yǎng)時間，降低程度不一樣。在培養(yǎng)初期，施入比例≤0.5%時，MBC的施入對棕壤過氧化氫酶活性影響不明顯，但培養(yǎng)超過30 d后，對過氧化氫酶活性的影響明顯增大；同樣的培養(yǎng)時間下，MBC施入比例越大，棕壤過氧化氫酶活性越低，尤其在培養(yǎng)后期，MBC對棕壤過氧化氫酶活性的抑制作用更明顯，當施入比例為0.7%和1.0%時，培養(yǎng)60 d，棕壤過氧化氫酶活性與對照相比，分別降低了34.57%、35.01%。由圖3可知，與對照相比，施入MBC能明顯提高土壤脲酶活性。方差分析表明，在培養(yǎng)10 d時，施入不同比例MBC對土壤脲酶活性的影響不明顯，但培養(yǎng)30 d和60 d后，施入MBC對土壤脲酶活性的影響較大；與對照相比，施入0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和1.0%MBC，培養(yǎng)60 d后，棕壤脲酶活性分別提高了87.54%、90.08%、97.45%、98.30%、95.18%。

由上述研究結果可知，施入MBC能抑制棕壤過氧化氫酶活性，施入比例較低時，抑制作用較弱，施入比例增加，抑制作用增強；但施入MBC能明顯激活土壤中脲酶活性。相關性分析表明，棕壤過氧化氫酶活性與土壤有效態(tài)Cu含量有極顯著正相關關系，與MBC施入量之間有極顯著負相關關系，棕壤脲酶活性與pH之間有極顯著負相關關系，與土壤有效態(tài)Cu含量有顯著負相關關系；可見，土壤酶活性除與土壤施入MBC的量有關外，還與重金屬含量有關。

2.3 MBC對棕壤呼吸強度的影響

由圖4可知，培養(yǎng)10 d時，施入0.1%、0.3%和0.5% MBC的處理棕壤顯著高于對照，培養(yǎng)30 d時，除施入0.1% MBC的處理呼吸強度顯著高于對照外，其他均無顯著變化。培養(yǎng)60 d時，除施入1.0%MBC的處理呼吸強度與對照相比無顯著性差異外，其他施入比例的處理土壤呼吸強度均顯著高于對照。

在相同的培養(yǎng)時間下，隨MBC施入比例的增加，棕壤的呼吸強度先增加后降低；但無論培養(yǎng)10 d、30 d還是60 d，施入0.1% MBC的處理，土壤呼吸強度都是最強的，這是因為初始施入少量的MBC，刺激了土壤微生物的呼吸，使呼吸作用增強，但隨著施入量的增加，土壤的C/N增高，土壤中沒有足夠的氮素供微生物繁殖生長，微生物的數(shù)量和活性降低，因此呼吸強度下降[18]。

2.4 相關性分析

棕壤有效態(tài)Cu含量、酶活性、呼吸強度與MBC施入量的相關分析（表1）表明，過氧化氫酶活性與有效態(tài)Cu之間具有極顯著正相關關系（P<0.01），與黑碳施入量之間具有極顯著負相關關系（P<0.01）；土壤有效態(tài)Cu含量與MBC施入量之間具有極顯著負相關關系（P<0.01）；而呼吸強度與黑碳施入量、脲酶活性和過氧化氫酶活性沒有明顯的相關關系。酶活性、有效態(tài)Cu含量與MBC施入量間的相關性分析表明，MBC的施入，降低了土壤有效態(tài)Cu含量，抑制了過氧化氫酶活性。有報道表明[19]，冶煉廠附近銅污染的農(nóng)田土壤中過氧化氫酶對Cu十分敏感，且高濃度Cu2+對過氧化氫酶活性有一定的抑制作用，除此之外其活性強弱受到土壤中多種因素的影響。本試驗過程中，土壤中銅濃度相對較低，可能對過氧化氫酶的抑制作用較弱，但施入MBC后，改變了土壤有機質(zhì)含量、C/N等，因此出現(xiàn)有效態(tài)Cu含量降低而過氧化氫酶活性減弱的結果。由表1得知，脲酶活性與有效態(tài)Cu含量顯著負相關，是因為施入MBC降低了有效態(tài)Cu含量，增加了脲酶的活性，這與許多研究結果[20-22]也是一致的。

3 結論

MBC降低了棕壤有效態(tài)Cu含量，且培養(yǎng)時間越長、施入比例越大，土壤有效態(tài)含量越低；施入MBC抑制了棕壤過氧化氫酶活性，且施入比例較低時，抑制作用較弱，施入比例增加，抑制作用增強；但施入MBC能明顯激活土壤脲酶活性；棕壤的呼吸強度隨MBC施入比例的增加先增加后降低，與對照相比，在不同的培養(yǎng)時間下，影響規(guī)律不同。相關性分析表明，過氧化氫酶活性與有效態(tài)Cu之間有極顯著正相關關系，與MBC施入量之間有極顯著負相關關系，相關系數(shù)分別為0.973和-0.963，其中影響過氧化氫酶活性的因素復雜；土壤有效態(tài)Cu含量與MBC施入量之間有極顯著負相關關系，相關系數(shù)為-0.970，再次證明了MBC施入量越大，對棕壤中Cu的鈍化效果越好。

綜上所述，MBC能顯著降低棕壤有效態(tài)Cu含量，激活脲酶活性，微弱抑制過氧化氫酶活性，對土壤呼吸強度無顯著影響，在重金屬污染土壤修復中具有一定的應用前景，但其對其他類型土壤酶活性的影響應做進一步研究。

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