鈍化劑對(duì)土壤砷、鉛、鎘的人體生物有效性的影響研究

寧涵，王夢(mèng)雨，余廣彬，歷紅波,*

1. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023 2. 臨沂市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，臨沂 276000

近年來，我國(guó)土壤重金屬污染問題日益突出，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康[1]。鉛、鎘和砷是土壤中重金屬污染的主要元素[2]，可通過土壤、植物、空氣和水等間接進(jìn)入人體，危害人體健康。皮膚接觸和長(zhǎng)期口腔攝入高濃度鉛污染土壤容易引起呼吸系統(tǒng)疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和兒童智力發(fā)育疾病[3]；鎘長(zhǎng)期積累可導(dǎo)致肺癌和骨損傷[4]；砷的慢性毒性包括膀胱癌和皮膚癌[5]。

由于生物可利用度的限制，污染土壤中的重金屬被攝入后，只有進(jìn)入體循環(huán)的部分才能產(chǎn)生健康危害，即為對(duì)生物有效的重金屬[6]。研究重金屬生物有效性主要有2類方法。(1)通過模擬人體消化系統(tǒng)開展體外胃腸液提取實(shí)驗(yàn)，用各種消化酶與有機(jī)酸配制模擬液，對(duì)土壤進(jìn)行提取，測(cè)定模擬液中重金屬含量，以此代表可能吸收進(jìn)體循環(huán)的重金屬含量，其與土壤中重金屬總量的比值定義為生物可給性(bioaccessibility)[7]。常用的生物可給性測(cè)定方法有solubility bioaccessibility research consortium (SBRC)[8]、invitrogastrointestinal (IVG)[9]、Deutsches Institut fur Normunge e.V. (DIN)、physiologically based extraction test (PBET)[10]和unified BARGE method (UBM)[11]等。(2)通過動(dòng)物模型開展體內(nèi)實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)有研究多使用豬和小鼠[12-13]等作為動(dòng)物模型，選取合適的生物標(biāo)志物來評(píng)估污染土壤中重金屬的相對(duì)生物有效性(relative bioavailability, RBA)?？蛇x取的生物標(biāo)志物主要有血液金屬濃度時(shí)間曲線面積(area under the blood metal concentration time curve, AUC)[14]和重金屬在動(dòng)物肝臟、腎臟、股骨或尿液中的累積量[15]。選取不同的生物標(biāo)志物需要采取不同的暴露方式，測(cè)定AUC通常使用單一劑量灌胃暴露法，而測(cè)定重金屬在器官中的累積量則常使用連續(xù)每天固定劑量喂養(yǎng)動(dòng)物或者使其自由進(jìn)食。雖然豬和小鼠在金屬代謝、骨骼發(fā)育和礦物代謝方面與人類有相似之處，但動(dòng)物和人類對(duì)重金屬在相同劑量水平下的吸收量仍存在一定差異[12,16]?！敖^對(duì)生物有效性”是指被吸收到全身系統(tǒng)的重金屬與土壤中重金屬總量的比值，不適用于從動(dòng)物推演至人類來進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[17]。RBA是指土壤中重金屬的絕對(duì)生物有效性與可溶性參考物質(zhì)(如砷酸鈉、醋酸鉛和氯化鎘)中重金屬的絕對(duì)生物有效性之比[18]。假定從實(shí)驗(yàn)材料和可溶性參考物質(zhì)中吸收的重金屬的比值在動(dòng)物和人類中一致，則RBA可用于人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。以往研究顯示，測(cè)定重金屬鉛、鎘和砷的RBA已有較為成熟的方法，可以采用小鼠模型，在一段時(shí)間內(nèi)重復(fù)喂食添加實(shí)驗(yàn)材料的飼料，最終通過測(cè)定肝臟或腎臟中鉛、鎘和砷的累積量來計(jì)算RBA[15,18-19]。

重金屬生物有效性是控制土壤攝入導(dǎo)致重金屬人體暴露的關(guān)鍵因子，因此可采取生物有效性調(diào)控措施如向土壤中施加鈍化劑，來防控土壤重金屬污染及其健康危害。施加鈍化劑調(diào)控重金屬生物有效性的原理是利用鈍化劑與土壤重金屬間的一系列反應(yīng)如吸附、沉淀、離子交換和氧化還原來改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，以降低其在土壤中的流動(dòng)性和生物有效性[20-22]。鈍化劑可簡(jiǎn)單分為無機(jī)鈍化劑和有機(jī)鈍化劑。應(yīng)用廣泛的鈍化劑有石灰、碳材料、磷材料、粘土礦物、有機(jī)肥料和農(nóng)業(yè)廢棄物等。評(píng)價(jià)修復(fù)效果常用的方法有重金屬形態(tài)分析實(shí)驗(yàn)[23-25]、提取實(shí)驗(yàn)[23,26-28]、浸出實(shí)驗(yàn)和原材料的重復(fù)性使用實(shí)驗(yàn)[23,25,29]。許多學(xué)者通過常用的評(píng)價(jià)方法探討了不同鈍化劑的修復(fù)效果，結(jié)果表明添加生物炭可以顯著降低土壤中鎘、鉛等金屬離子的遷移[30]。Wang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，施用磷灰石、鈣鎂磷酸鹽和磷酸二氫鈣等磷肥修復(fù)某尾礦場(chǎng)地90 d后，有效鉛和鎘分別下降22%～81%和1.5%～31%。Usman等[32]基于形態(tài)提取實(shí)驗(yàn)探索了硅肥的修復(fù)效果，結(jié)果表明，硅肥能減少土壤水溶態(tài)鎘的濃度和植物吸收的鎘。Liu等[33]的研究表明，石灰可以降低土壤可溶性鎘含量以及降低鉛在大米和豆類中的吸收。

然而，目前評(píng)估向土壤中直接施加不同鈍化劑對(duì)砷、鉛和鎘人體生物有效性的調(diào)控效果的研究仍缺乏。Theodoratos等[26]對(duì)一處采礦廢棄物場(chǎng)地添加不同比例磷酸鹽(PO4/Pb物質(zhì)的量比=0.1～2.5)，利用螯合試劑對(duì)鉛、鋅和鎘以及NaHCO3溶液對(duì)砷進(jìn)行浸出提取測(cè)定，發(fā)現(xiàn)磷酸二氫鈣對(duì)土壤中的鉛和鎘具有固定作用，但對(duì)砷的遷移有促進(jìn)作用；植物積累實(shí)驗(yàn)表明磷酸鹽處理不能影響植物組織對(duì)污染物的吸收。Yang和Mosby[34]通過旋轉(zhuǎn)耕作、表面混合和高壓向受冶煉廠污染的土壤中注入1%磷酸，開展模擬人工胃液土壤鉛提取實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈍化90 d后鉛在土壤中的生物可給性分別減少了59%、61%和48%。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)對(duì)受冶煉廠廢物影響的土壤進(jìn)行磷化處理，并開展豬的活體實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，1%的磷化處理可降低土壤的鉛生物有效性；同時(shí)，對(duì)受磨粉廢水影響的土壤進(jìn)行磷酸鹽處理，6個(gè)月后進(jìn)行體外提取實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鉛的生物可給性有所降低[17]。然而，以往在向土壤施加鈍化劑時(shí)，常常需要對(duì)土壤進(jìn)行酸化處理來得到降低生物有效性的效果[17]，而評(píng)估向土壤中直接施加不同鈍化劑對(duì)砷、鉛和鎘人體生物有效性的調(diào)控效果的研究仍缺乏。

本研究選取3種不同污染程度的土壤，向土壤中直接施加不同鈍化劑，不對(duì)土壤進(jìn)行額外酸化處理，探討鈍化劑加入1個(gè)月后，土壤中砷、鉛和鎘的相對(duì)生物有效性的變化，明確不同鈍化劑降低不同土壤中重金屬人體生物有效性的效果，確立適合不同土壤的最佳鈍化劑，為未來利用鈍化劑修復(fù)實(shí)際污染場(chǎng)地和降低實(shí)際場(chǎng)地土壤污染的健康風(fēng)險(xiǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 3種污染土壤和9種鈍化劑

在湖南中西部礦區(qū)附近的3個(gè)污染場(chǎng)地采集土壤樣品，分別為株洲黑土、株洲黃土和水口黃土(表1)。所有土壤均經(jīng)過風(fēng)干，過250 mm篩網(wǎng)，用于后續(xù)的鈍化實(shí)驗(yàn)和生物有效性評(píng)估。3種土壤經(jīng)US EPA 3050B方法消解后，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS) (PerkinElmer NexION300X，美國(guó))分析砷、鉛和鎘的總濃度。以水為浸提劑(水土比2.5∶1)，振蕩2 h，靜置30 min后，測(cè)定土壤pH值(HJ/T166)。

從應(yīng)用廣泛的鈍化劑中選取常用的無機(jī)肥、碳材料、磷材料和粘土礦物開展實(shí)驗(yàn)，具體包括鈣鎂磷肥(CMPF)、硅肥(SF)、高嶺土(KL)、木制生物炭(WB)、椰殼生物炭(CSB)、羥基磷灰石(HA)、磷灰石1(Aa)、磷灰石2(Ab)和石灰(LI)。鈣鎂磷肥本身呈堿性，施入土壤中可提高土壤pH值，從而降低鎘的生物有效性；而且加入鈣鎂磷肥使得土壤中鈣、鎂的含量提升，土壤中有效態(tài)的鈣離子和鎂離子增多，可以降低鎘的生物有效性[35]。石灰的施入可以提高土壤的pH，增加土壤表面的負(fù)電荷，增強(qiáng)吸附，或生成氫氧化物或碳酸鹽結(jié)合態(tài)鹽類沉淀[36-37]。硅肥通過增加土壤有效硅的含量，增加生物量的積累，提高葉綠素含量，激發(fā)抗氧化酶的活性，從而緩解重金屬對(duì)植物生理代謝的毒害[38]。高嶺土是一種2∶1型黏土礦物，黏土礦物比表面積大，極性、吸附性和離子交換性強(qiáng)，可與重金屬發(fā)生吸附、配合和共沉淀作用[39]。一方面，黏土礦物通過物理吸附也可以降低重金屬鎘的有效態(tài)含量[40]；另一方面，本身具有的Si—O四面體和Al—O八面體結(jié)構(gòu)通過同晶置換作用將Cd2+替換從而實(shí)現(xiàn)鈍化效果，并且在土壤液相中，Si—O—Si斷裂可與水反應(yīng)形成氫氧基官能團(tuán)，與重金屬鎘可發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成絡(luò)合物[41]。生物炭呈堿性，具有巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的多孔疏松結(jié)構(gòu)，表面有豐富的含氧官能團(tuán)(羧基、酚羥基、羰基和內(nèi)酯基)[42]。羥基磷灰石是較難溶解的磷酸鹽，其對(duì)重金屬有較高的吸附能力[43]。磷基材料鈍化重金屬主要通過表面絡(luò)合和共沉淀作用[26,29]，共沉淀過程包括2步：(1)磷基材料和重金屬的溶解；(2)形成新的重金屬和磷沉淀物質(zhì)[44-45]。

1.2 土壤鈍化處理

對(duì)3種土壤進(jìn)行不同鈍化劑添加處理，向99 g土壤中加入1 g鈍化劑[46]，將其均勻混合后均分為3份，分別放入聚乙烯瓶，同時(shí)加入Milli-Q水至土壤含水量為20%[47]。2018年9月20日開始鈍化，1個(gè)月后(2018年10月20日)從每個(gè)聚乙烯瓶中取出12 g樣品，冷凍干燥后使用。在1個(gè)月鈍化期間，定期對(duì)樣品和聚乙烯瓶進(jìn)行稱量，根據(jù)質(zhì)量變化添加水分，以此保持含水率不變。

1.3 重金屬相對(duì)生物有效性(RBA)評(píng)價(jià)

用小鼠腎臟+肝臟模型評(píng)價(jià)鈍化1個(gè)月后土壤樣品中重金屬的相對(duì)生物有效性。將120只體質(zhì)量為20～22 g的Balb/c雌性小鼠(南京青龍山實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng))在聚乙烯籠子中飼養(yǎng)，喂食潔凈的嚙齒動(dòng)物飼料和Milli-Q水，保持25 ℃，光/暗周期12 h/12 h。為了將小鼠暴露于土壤，將土壤按照1∶50的比例先混入干凈的飼料粉末中，混合均勻后，向飼料中添加Milli-Q水，捏合造粒后凍干。土壤添加后，飼料中砷、鉛和鎘的濃度分別為2.7～48.6、32.8～594和0.94～10.5 mg·kg-1。為了計(jì)算土壤樣品中砷、鉛和鎘的相對(duì)生物有效性，還將3種可溶鹽(砷酸鈉、乙酸鉛和氯化鎘)分別單獨(dú)添加至小鼠基礎(chǔ)飼料，使飼料中砷、鉛和鎘的濃度分別為2、10、100 mg·kg-1，10、100、500 mg·kg-1，0.5、6、15 mg·kg-1。

將連續(xù)7 d喂食干凈食物的小鼠在禁食一晚后稱量體質(zhì)量，分別將每只小鼠放在一個(gè)單獨(dú)的聚乙烯籠子里。每個(gè)處理設(shè)置3只平行小鼠。向小鼠每日提供5 g含有土壤或砷酸鈉、乙酸鉛、氯化鎘的飼料，與此同時(shí)，飼養(yǎng)1組老鼠作為空白對(duì)照組，喂養(yǎng)潔凈飼料。連續(xù)飼喂10 d后，再次禁食過夜，稱量體質(zhì)量，并做死亡處理后收集其肝臟和腎臟，將肝臟和腎臟儲(chǔ)存在-80 ℃的冰箱中。肝、腎凍干后，經(jīng)US EPA 3050B法進(jìn)行消解，用ICP-MS法測(cè)定砷、鉛和鎘的含量。

首先，建立在砷酸鈉、乙酸鉛和氯化鎘暴露下肝臟和腎臟中重金屬濃度的劑量響應(yīng)曲線。先將重金屬在肝和腎里面的積累含量進(jìn)行劑量歸一化校正，然后對(duì)比土壤暴露和參比物質(zhì)暴露，利用式(1)計(jì)算出土壤中重金屬的相對(duì)生物有效性(RBA)。

式中：下標(biāo)ref是指砷酸鈉、乙酸鉛和氯化鎘，分別對(duì)應(yīng)砷、鉛和鎘；下標(biāo)soil是指鈍化前或后的土壤樣品；cmetal in liver and kidney, soil和cmetal in liver and kidney, ref為暴露土壤或可溶性參比物后小鼠肝臟和腎臟中砷、鉛和鎘的含量；Dmetal dose,soil和Dmetal dose,ref為小鼠攝入土壤和可溶性參比物導(dǎo)致的砷、鉛和鎘的暴露劑量。

1.4 QA/QC和統(tǒng)計(jì)分析

本研究的砷、鉛和鎘的濃度以及RBA結(jié)果均以3個(gè)平行的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式表現(xiàn)。使用US EPA 3050B法進(jìn)行消解和使用ICP-MS測(cè)定重金屬含量時(shí)，設(shè)置空白對(duì)照組和標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)組(選取NIST 2710a進(jìn)行消解、測(cè)定)。開展重金屬RBA實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)設(shè)置NIST 2710a標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)組，NIST 2710a砷的RBA測(cè)定值為(41.2±13.1)%，與以往研究報(bào)道一致[48-50]。在ICP-MS分析過程中，每20個(gè)樣品中回測(cè)標(biāo)準(zhǔn)溶液，回收率為95%～105%。所有圖形均使用SigmaPlot(10.0版本)進(jìn)行制作，不同處理組之間的顯著性差異(P<0.05)使用SAS System(8.0版本)進(jìn)行分析，采用One-Way ANOVA方法進(jìn)行Fisher’s LSD分析。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 污染土壤性質(zhì)

污染土壤樣本采集自湖南中西部的3個(gè)礦區(qū)(表1)。3種土壤砷、鉛和鎘的總濃度范圍分別為67.7～2 433、820～29 678和23.4～526 mg·kg-1。土壤pH值范圍為5.70～6.94?？梢园l(fā)現(xiàn)，株洲黑土污染程度最高，水口黃土污染程度最低；株洲黑土和黃土為中性土(pH分別為6.94、6.50)，水口黃土為酸性土(pH為5.70)。

表1 本研究中3個(gè)湖南礦區(qū)污染土壤樣品及其砷、鉛和鎘濃度Table 1 Location and total concentration of As, Pb and Cd in 3 contaminated soil samples collected from mining areas of Hunan

加入鈍化劑1個(gè)月之后，測(cè)定土壤的pH值的變化(圖1)，可以發(fā)現(xiàn)，所有鈍化劑均可提高株洲黑土的pH值(7.22～8.88)，其中石灰對(duì)株洲黑土的pH的影響最大(8.88)；鈣鎂磷肥、硅肥、羥基磷灰石和石灰可使株洲黃土的pH值升高(7.15、6.86、6.85和8.02)，而其他鈍化劑并不能提高株洲黃土的pH值；對(duì)于水口黃土，同樣只有鈣鎂磷肥、硅肥、羥基磷灰石和石灰能提高土壤pH值(7.05、6.79、6.56和9.41)。

2.2 砷、鉛和鎘在小鼠體內(nèi)積累的線性劑量響應(yīng)

此前研究報(bào)道重金屬經(jīng)腸道吸收后在肝臟和腎臟中的積累可反映重金屬的生物有效性[15,18-19]。本研究選擇重金屬在肝和腎中濃度的加和為生物終點(diǎn)。通過穩(wěn)態(tài)劑量法測(cè)定土壤中重金屬RBA時(shí)，需要在小鼠肝臟和腎臟中建立重金屬積累量和攝入劑量水平之間的線性響應(yīng)。根據(jù)土壤添加后飼料中砷、鉛和鎘的濃度2.7～48.6、32.8～594和0.94～10.5 mg·kg-1，采用Na2HAsO4(2～100 mg·kg-1)、Pb(Ac)2(10～500 mg·kg-1)和CdCl2(0.5～15 mg·kg-1)來建立劑量響應(yīng)曲線(圖2)。對(duì)照組小鼠中，砷、鉛和鎘在肝臟、腎臟中的濃度加和較低(0.12、1.06和0.08 mg·kg-1)。當(dāng)暴露于Na2HAsO4(2～100 mg·kg-1)、Pb(Ac)2(10～500 mg·kg-1)和CdCl2(0.5～15 mg·kg-1)后，砷、鉛和鎘在肝臟和腎臟中的濃度加和增加到1～8、2.5～30和0.12～2 mg·kg-1，且與暴露劑量呈良好的線性關(guān)系(r2=0.99、0.94和0.99；圖2)。

2.3 鈍化劑對(duì)不同土壤砷、鉛和鎘RBA的影響2.3.1 鈍化劑對(duì)株洲黑土砷、鉛和鎘RBA的影響

開展小鼠實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得到土壤樣品中砷、鉛和鎘相對(duì)生物有效性(圖3～圖5)。鈍化前，株洲黑土中砷、鉛和鎘的RBA分別為(37.1±7.54)%、(49.0±4.10)%和(23.1±1.20)%。不同鈍化劑將株洲黑土鈍化1個(gè)月后，砷、鉛和鎘的RBA呈現(xiàn)出不同的變化。由圖3(a)可知，鈣鎂磷肥可以將砷的RBA降低，相對(duì)于對(duì)照，降幅為27.9%，但并不顯著；經(jīng)其他鈍化劑處理之后，砷RBA并未降低，反而升高。此前也有學(xué)者[51-53]研究發(fā)現(xiàn)修復(fù)土壤后，砷的可利用度增加。Wang和Mulligan[51]發(fā)現(xiàn)用腐殖酸修復(fù)場(chǎng)地土壤，會(huì)促進(jìn)土壤中砷的遷移，這可能是因?yàn)樯锾课街亟饘俚臋C(jī)理并不是沉淀作用[54]，而是絡(luò)合作用[55]。陳同斌[52]開展盆栽實(shí)驗(yàn)研究土壤溶液中砷的環(huán)境化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)提高土壤的pH會(huì)促進(jìn)砷的溶解，增加土壤溶液中砷的濃度。Madeira等[53]也發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石可提高礦區(qū)周邊土壤砷的有效性。

圖1 不同鈍化劑施加1個(gè)月對(duì)株洲黑土(a)、株洲黃土(b)和水口黃土(c)pH值的影響注：CMPF表示鈣鎂磷肥；SF表示硅肥；KL表示高嶺土；WB表示木制生物炭；CSB表示椰殼生物炭；HA表示羥基磷灰石； Aa表示磷灰石1；Ab表示磷灰石2；LI表示石灰。Fig. 1 The pH of the Zhuzhou black (a), Zhuzhou yellow (b), and Shuikou yellow soils (c) under application of different immobilizers for one monthNote: CMPF means calcium magnesium phosphate fertilizer; SF means silicon fertilizer; KL means kaolin; WB means wood biochar; CSB means coconut shell biochar; HA means hydroxyapatite; Aa means apatite 1; Ab means apatite 2; LI means lime.

圖2 暴露于Na2HAsO4 (a)、Pb(Ac)2 (b)和CdCl2 (c)后砷、鉛和鎘在小鼠肝臟和腎臟中的 濃度加和與暴露劑量間的線性相關(guān)關(guān)系Fig. 2 Linear relationship between As, Pb, and Cd concentration in the liver and kidney of mice exposed to Na2HAsO4 (a), Pb(Ac)2 (b), and CdCl2 (c) with corresponding metal exposure dose

除了木制生物炭外，其他鈍化劑的加入使株洲黑土中鉛的RBA有不同程度的降低，降低幅度為3.37%～30.9%，石灰降低鉛RBA的效果最顯著(P<0.05)(圖3(b))。這與此前郝金才等[56]的研究結(jié)果較為相似，鈣鎂磷肥、生物質(zhì)炭和磷礦粉的添加可以減少土壤中提取態(tài)鉛，但并不顯著；而石灰可以顯著減少土壤中的提取態(tài)鉛。

而對(duì)于鎘RBA，椰殼生物炭、鈣鎂磷肥和石灰分別可將其降低22.8%、5.50%和3.93%，但并不顯著(圖3(c))。有學(xué)者認(rèn)為鎘有效性的降低主要受到pH的影響[57]，土壤的pH在4.5～5.5之間時(shí)，土壤pH上升可以顯著降低鎘的移動(dòng)性和生物有效性[58]，但株洲黑土pH為6.94，鈍化劑并不能很好地展示效果。

2.3.2 鈍化劑對(duì)株洲黃土砷、鉛和鎘RBA的影響

鈍化前，株洲黃土中砷、鉛和鎘的RBA分別為(41.1±5.49)%、(46.5±11.6)%和(40.7±9.39)%(圖4)。向株洲黃土中施加鈍化劑后，觀察砷、鉛和鎘的RBA，可以發(fā)現(xiàn)，鈣鎂磷肥、磷灰石2和石灰可大幅降低砷RBA，降低幅度為25.0%～30.7%，且效果顯著；磷灰石1也對(duì)砷RBA有一定幅度(14.5%)的降低(圖4(a))。這與文獻(xiàn)結(jié)果較為一致。Wang等[59]發(fā)現(xiàn)外源磷的加入可降低大部分土壤砷的植物有效性，Lee等[60]利用廢棄的石灰?guī)r鈍化污染土壤，發(fā)現(xiàn)土壤中砷的生物有效性降低13%。各種鈍化劑對(duì)鉛和砷RBA的降低效果也有限，只有鈣鎂磷肥和硅肥對(duì)鉛RBA有小幅度(7.87%～9.17%)降低，且并不顯著，對(duì)于鎘RBA，磷基材料和石灰對(duì)其有小程度(6.53%～21.5%)降低，也不顯著(圖4(b)和4(c))，推測(cè)也是因?yàn)橹曛撄S土的pH為6.50，鈍化劑效果不佳。

2.3.3 鈍化劑對(duì)水口黃土砷、鉛和鎘RBA的影響

鈍化前，水口黃土中砷、鉛和鎘的RBA分別為(74.4±3.48)%、(70.4±2.92)%和(81.5±4.98)%。觀察鈍化后水口黃土砷、鉛和鎘的RBA(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)9種鈍化劑均可降低砷的RBA，除羥基磷灰石的降低水平只有11.4%外，其他鈍化劑的降低水平較高，降低幅度為35.6%～49.9%，其中鈣鎂磷肥、磷灰石2和石灰的效果尤為顯著。此前也有學(xué)者的研究結(jié)果與本研究較為一致。黃黎粵等[61]發(fā)現(xiàn)施用生物炭可降低作物根系砷的富集。Abd El-Azeem等[62]發(fā)現(xiàn)石灰可以固定土壤中的砷。除椰殼生物炭以外，其他鈍化劑均可使鉛RBA有所降低(12.0%～44.5%)，其中石灰的效果最為顯著。木制生物炭和石灰使鎘RBA大幅降低45.0%和41.3%，木制生物炭的降低效果更為顯著；其他鈍化劑也可以不同程度地降低鎘RBA(7.06%～28.4%)，但并不顯著。整體上，各鈍化劑可以有效地降低砷、鉛和鎘的RBA，這可能是由于水口黃土的pH為5.70，為酸性土壤，各鈍化劑均能較好地作用于土壤中的砷、鉛和鎘，將其固定，降低其生物有效性。

圖3 9種鈍化劑施加1個(gè)月后株洲黑土中砷(a)、鉛(b)和鎘(c)的相對(duì)生物有效性(RBA)注：每個(gè)條柱代表3只獨(dú)立小鼠的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差；Control表示對(duì)照，CMPF表示鈣鎂磷肥，SF表示硅肥，KL表示高嶺土， WB表示木制生物炭，CSB表示椰殼生物炭，HA表示羥基磷灰石，Aa表示磷灰石1，Ab表示磷灰石2，LI表示石灰； 標(biāo)有相同字母的條柱表示不同處理之間的差異不明顯(P>0.05)。Fig. 3 Relative bioavailability (RBA) of As (a), Pb (b), and Cd (c) in Zhuzhou black soil when the soil was added with 9 immobilizers for one monthNote: The relative bioavailability in soils were measured using an in vivo mouse model; each bar represents the mean and standard deviation of three independent mice; CMPF stands for calcium magnesium phosphate fertilizer; SF stands for silicon fertilizer; KL stands for kaolin; WB stands for wood biochar; CSB stands for coconut shell biochar; HA stands for hydroxyapatite; Aa stands for apatite 1; Ab stands for apatite 2; LI stands for lime; bars marked with the same letter indicate insignificant (P>0.05) difference between different treatments.

圖4 9種鈍化劑施加1個(gè)月后株洲黃土中砷(a)、鉛(b)和鎘(c)的相對(duì)生物有效性注：每個(gè)條柱代表3只獨(dú)立小鼠的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差；Control表示對(duì)照，CMPF表示鈣鎂磷肥，SF表示硅肥， KL表示高嶺土，WB表示木制生物炭，CSB表示椰殼生物炭，HA表示羥基磷灰石，Aa表示磷灰石1， Ab表示磷灰石2，LI表示石灰；標(biāo)有相同字母的條柱表示不同處理之間的差異不明顯(P>0.05)。Fig. 4 Relative bioavailability of As (a), Pb (b), and Cd (c) in Zhuzhou yellow soil when the soil was added with 9 immobilizers for one monthNote: The relative bioavailability in soils were measured using an in vivo mouse model; each bar represents the mean and standard deviation of three independent mice; CMPF stands for calcium magnesium phosphate fertilizer; SF stands for silicon fertilizer; KL stands for kaolin; WB stands for wood biochar; CSB stands for coconut shell biochar; HA stands for hydroxyapatite; Aa stands for apatite 1; Ab stands for apatite 2; LI stands for lime; bars marked with the same letter indicate insignificant (P>0.05) difference between different treatments.

圖5 9種鈍化劑施加1個(gè)月后水口黃土中砷(a)、鉛(b)和鎘(c)的相對(duì)生物有效性注：每個(gè)條柱代表3只獨(dú)立小鼠的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差；Control表示對(duì)照，CMPF表示鈣鎂磷肥，SF表示硅肥，KL表示高嶺土， WB表示木制生物炭，CSB表示椰殼生物炭，HA表示羥基磷灰石，Aa表示磷灰石1，Ab表示磷灰石2，LI表示石灰；標(biāo)有相同字母的條柱 表示不同處理之間的差異不明顯(P>0.05)。Fig. 5 Relative bioavailability of As (a), Pb (b), and Cd (c) in Shuikou yellow soil when the soil was added with 9 immobilizers for one monthNote: The relative bioavailability in soils were measured using an in vivo mouse model; each bar represents the mean and standard deviation of three independent mice; CMPF stands for calcium magnesium phosphate fertilizer; SF stands for silicon fertilizer; KL stands for kaolin; WB stands for wood biochar; CSB stands for coconut shell biochar; HA stands for hydroxyapatite; Aa stands for apatite 1; Ab stands for apatite 2; LI stands for lime; bars marked with the same letter indicate insignificant (P>0.05) difference between different treatments.

對(duì)比3種土壤的鈍化效果，可以發(fā)現(xiàn)，酸性的水口黃土在3種土壤中鈍化效果最佳。這可能是因?yàn)橹曛藓谕梁忘S土是中性土壤，不利于鈍化劑施加后其中有效成分與重金屬的各種反應(yīng)，導(dǎo)致鈍化劑的固化效果甚微，無法顯著降低鉛、鎘RBA；由于土壤原本pH較高時(shí)再增加pH，會(huì)增加砷的溶出，故株洲黑土在鈍化后砷的RBA有提高的現(xiàn)象，而鈍化劑作用于株洲黃土和水口黃土?xí)r，吸附、沉淀作用較強(qiáng)，會(huì)降低砷RBA。水口黃土在鈍化劑加入后，鈣鎂磷肥、硅肥、羥基磷灰石和石灰提高了土壤pH，對(duì)砷、鉛和鎘的RBA都能降低，其他鈍化劑(如木制生物炭)也在酸性條件下更好地吸附重金屬等，發(fā)揮鈍化作用。

綜合以上結(jié)果，可得出以下結(jié)論：相對(duì)于中性土壤，鈍化劑在酸性土壤能較好地發(fā)揮效果。水口黃土具有較低的pH，各種鈍化劑對(duì)水口黃土砷、鉛和鎘RBA均可降低；對(duì)于更偏中性的株洲黑土，鈍化劑可以降低鉛RBA，但效果有限。

2.4 鈍化劑作用下不同重金屬RBA降低效果對(duì)比

從株洲黃土和水口黃土的鈍化結(jié)果來看，鈍化劑對(duì)土壤砷RBA降低效果最為明顯，整體強(qiáng)于對(duì)鉛和鎘RBA的降低效果。鈍化劑的施加不能顯著降低株洲黃土鉛和鎘RBA；但鈣鎂磷肥和石灰可顯著降低砷RBA，且降幅達(dá)25.0%和30.7%(圖4)。作用于水口黃土?xí)r，除椰殼生物炭只對(duì)鎘有效外(降低幅度為24.2%)，各鈍化劑均可使水口黃土的鉛和鎘RBA降低(降低幅度為12.0%～44.5%、7.06%～45.0%)，其中木制生物炭和石灰的降低幅度較大且效果顯著(木制生物炭和石灰對(duì)鉛、鎘RBA的降低幅度依次為27.9%、45.0%，44.5%、41.3%)；而除了羥基磷灰石只能小幅降低砷RBA(11.4%)外，其他鈍化劑均可以顯著降低砷RBA，降低幅度也都在35%以上(圖4)。然而觀察鈍化劑對(duì)株洲黑土的固定效果，只有鉛RBA呈現(xiàn)出降低的現(xiàn)象，其中石灰作用下的鉛RBA顯著降低(降低幅度為30.9%)，推測(cè)對(duì)于黑土這種pH達(dá)6.95的中性土，鈍化劑的加入只能對(duì)鉛起到固定效果。

2.5 不同鈍化劑對(duì)土壤重金屬RBA降低效果的對(duì)比

本次研究所選擇的鈍化劑包括無機(jī)肥、粘土礦物、生物炭和磷灰石四大類。鈣鎂磷肥和石灰主要通過提高土壤pH來發(fā)揮鈍化作用[38]：用鈣鎂磷肥將3種土壤鈍化1個(gè)月之后，3種土壤的pH均升高，它們的砷、鉛和鎘RBA都有所降低，這與前人研究結(jié)果較為一致[25]。石灰也顯著提高土壤的pH，除株洲黑土的砷RBA反而升高以外，其他均表現(xiàn)出較好的降低效果，降幅大且效果顯著。之前較多學(xué)者研究也發(fā)現(xiàn)石灰可降低水溶性的砷、鉛和鎘[33,62-64]，但使用石灰性物質(zhì)也可能會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)過速分解，破壞土壤結(jié)構(gòu)，還可能在表土層下形成碳酸鈣和氫氧化鈣膠體沉淀層。

硅肥對(duì)3種土壤中的鉛RBA均有小幅度降低，而只能降低水口黃土中的砷和鎘RBA，對(duì)株洲黑土、黃土并無效果。這可能是因?yàn)楣璺手饕饔迷谥参锷L(zhǎng)階段，而對(duì)RBA效果不甚理想。高嶺土只對(duì)水口黃土的鈍化效果較好，其他均沒有效果，推測(cè)是因?yàn)楦邘X土雖然可以與土壤中的重金屬發(fā)生吸附、配合和共沉淀作用[39]，但對(duì)中性的株洲黑土和株洲黃土并無效果。

本研究中木制生物炭只能降低水口黃土中的砷、鉛和鎘RBA；椰殼生物炭可降低株洲黑土的鉛RBA及水口黃土的砷和鎘RBA。兩者均可降低水口黃土鉛和鎘RBA。對(duì)比兩者效果可以發(fā)現(xiàn)，木制生物炭對(duì)其降低幅度更大。這與黃黎粵等[61]的結(jié)果一致，對(duì)比其他生物炭，施用木制生物炭的玉米幼苗根系中砷、鉛含量降低最多。此前有學(xué)者對(duì)比不同生物炭的吸附效果，發(fā)現(xiàn)含氧官能團(tuán)可以彌補(bǔ)比表面積小導(dǎo)致的吸附量不足，推測(cè)絡(luò)合作用是生物炭鈍化重金屬的主要機(jī)制[55]，故此推測(cè)是由于木制生物炭吸附位點(diǎn)更多，才呈現(xiàn)更好的鈍化效果。

本研究使用羥基磷灰石和其他2種磷灰石，對(duì)于株洲黑土，3種磷基材料只可以降低鉛RBA；卻都不能降低株洲黃土鉛的RBA，羥基磷灰石對(duì)砷RBA也沒有效果；但對(duì)于水口黃土來說，3種磷基材料均能較好地降低砷、鉛和鎘RBA，羥基磷灰石施加的效果相對(duì)較小。此前有研究認(rèn)為，鎘修復(fù)的穩(wěn)定性取決于含磷修復(fù)材料的性質(zhì)，溶解性越大的修復(fù)效率高[23]。而羥基磷灰石鈍化后的土壤pH高于另外2種，故其鈍化效果不如其他2種磷灰石。也有學(xué)者認(rèn)為其效果受pH的影響[57]，酸性土壤為重金屬和磷酸根離子的溶出提供更好的條件，容易形成溶解度低的沉淀，有利于鈍化劑對(duì)土壤中重金屬的固定[28]。本研究中只有水口黃土為酸性土壤，故3種磷基材料能發(fā)揮鈍化效果。

對(duì)比不同的鈍化劑，石灰的效果最好，對(duì)株洲黃土和水口黃土砷、鉛和鎘RBA均有降低效果，也可顯著降低株洲黑土中鉛的RBA。若要降低土壤砷RBA，酸性土壤有很多可選的鈍化劑，但適用于偏中性土壤的最佳鈍化劑為鈣鎂磷肥或石灰；若要降低鉛、鎘RBA，木制生物炭和石灰效果更顯著。