土壤微生物燃料电池减少水稻吸收土壤重金属的方法
阅读说明：本技术 土壤微生物燃料电池减少水稻吸收土壤重金属的方法 (Method for reducing rice to absorb heavy metal in soil by soil microbial fuel cell ) 是由 王亚洁 孙红绪 王景旭 唐健 于 2020-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种土壤微生物燃料电池减少水稻吸收土壤重金属的方法,将水稻种子消毒后播种于湿润的珍珠岩中发芽,在珍珠岩中生长18-25天后,挑选生长一致的水稻苗移栽到营养液中培养,在营养液中生长12-15后,取生长一致即叶长,叶数,重量一样的水稻移栽到含砷污染水稻土的微生物燃料电池中；I阶段中土壤微生物燃料电池不接外电阻开路状态启动2-3天；II阶段中土壤微生物燃料电池接入500-600Ω外电阻,闭路状态运行5-8天；III阶段中土壤微生物燃料电池中移栽水稻,种植5-8天。同时II阶段的第6天,F3处理的孔隙水中As的含量比F0对照分别减少了约50%。并且在F3电池中种植1周后的水稻根和地上部分的砷含量分别比F0电池的降低了约10%和50%。(The invention provides a method for reducing the absorption of heavy metals in soil by rice in a soil microbial fuel cell, which comprises the steps of disinfecting rice seeds, sowing the disinfected rice seeds into wet perlite for germination, growing the rice seeds in the perlite for 18-25 days, selecting rice seedlings with consistent growth, transplanting the rice seedlings into nutrient solution for culture, growing the rice seedlings in the nutrient solution for 12-15 days, and transplanting the rice seedlings with consistent growth, namely leaf length, leaf number and same weight into a microbial fuel cell containing arsenic polluted rice soil; in the stage I, the soil microbial fuel cell is started for 2-3 days in an open circuit state without being connected with an external resistor; in the stage II, the soil microbial fuel cell is connected with an external resistor of 500-600 omega, and the soil microbial fuel cell operates for 5-8 days in a closed circuit state; and transplanting the rice in the soil microbial fuel cell in the stage III, and planting for 5-8 days. Meanwhile, on day 6 of phase II, the content of As in the F3-treated pore water was reduced by about 50% compared with the F0 control. And the arsenic content of the rice roots and the overground part after 1 week of planting in the F3 battery was reduced by about 10% and 50%, respectively, compared to that of the F0 battery.)
技术领域
本发明涉及一种土壤重金属的处理方法，具体是采用土壤微生物燃料电池减少水稻吸收土壤重金属的方法，属于环境工程技术领域。
背景技术
砷是一种重要的人类致癌毒物，已被美国毒物和疾病登记署(ATSDR)在危险物质优先控制列表中列为第一位(ATSDR，2011)，此外国际癌症研究机构(IARC)也将无机砷划分为I级致癌物(WHO，2001)。砷疾病流行学研究发现过量摄入或长期低剂量砷暴露会诱发皮肤、膀胱、肺等器官癌变以及发育、心血管、代谢紊乱等疾病。Li在研究我国食物中的砷含量与健康风险评价中发现中国人日常砷摄取量约为42μg/天，而来自大米的砷，占总砷日摄入量的60％。这说明，通过食用水稻的砷暴露所引起的健康风险较高。
不幸的是，我国大面积的水稻已经遭受砷污染。Meharg对从中国采集的124份大米样品进行砷含量分析，发现总砷浓度范围为0.02～0.46mg·kg-1，平均浓度为0.14mg·kg-1。我国自主研究调查也发现北京市场大米总砷含量最大值有0.218mg·kg-1，广东大宝山地区部分大米砷含量达到0.447mg·kg-1，而在湖南省矿区附近地区的大米中总砷甚至达到1.18mg·kg-1。
水稻吸收的砷含量通常与土壤及灌溉水中砷的含量有明显的相关性，同时又受水稻品种、土壤性质、砷的形态、价态和耕作制度等因素的制约。其中水稻可吸收砷主要为土壤中的有效态砷，有效态的砷主要是土壤中可溶性砷和土壤矿物表面吸附的可交换态砷。水稻比其他作物更能积累砷，因为在长期淹水的条件下的土壤中的砷的生物有效性更高。而土壤砷的生物有效性主要受土壤淹水条件，铁锰氧化物含量，土壤微生物和土壤pH等因素影响。在淹水期的土壤中，土壤氧化还原电位(Eh)显著降低，铁锰氧化物被土壤中的厌氧还原微生物还原溶解，导致铁锰矿物表面吸附的砷进入土壤溶液中，而且一部分具有砷还原能力的微生物将As(V)还原为移动性更强的As(III)，也导致土壤中的有效态砷增加。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种土壤微生物燃料电池减少水稻吸收土壤重金属的方法。本发明利用砷污染水稻土构建土壤微生物燃料电池，通过测定孔隙水中的Fe(II)和砷等其他重金属离子的含量，以及在电池中种植1周后的水稻中的重金属吸收量，研究土壤微生物燃料电池是否能够有效减少水稻吸收砷含量。具体方法如下：
(1)土壤预处理：对土壤消煮后加入As(V)溶液进行混合，得到砷污染水稻土，将砷污染水稻土自然风干后待用；
(2)水稻种子处理：将水稻种子消毒后播种于湿润的珍珠岩中发芽，在珍珠岩中生长18-25天后，挑选生长一致的水稻苗移栽到营养液中培养，在培养液中生长12-15后，取生长一致即叶长，叶数，重量一样的水稻移栽到含砷污染水稻土的微生物燃料电池中；
(3)铁基改性生物炭制备：以60℃烘干的水稻秸秆为原料，用LFP-800粉碎机将秸秆粉碎，过筛备用。称取5g粉碎原料放于石英管中，随后置于管式炉中加热，热解气速N2＝0.5(L/min)，待样品加热至600℃时，保持1h的热解时间，热解完成并降至室温。将所得生物炭浸渍在浓度为0.1mol/L的FeCl3溶液中。随后将其置于震荡箱中震荡3h，过滤后60℃烘干待用。
(4)微生物燃料电池处理：I阶段中土壤微生物燃料电池不接外电阻开路状态启动2-3天；II阶段中土壤微生物燃料电池接入500-600Ω外电阻，闭路状态运行5-8天，或者在II阶段中添加铁基改性生物炭，铁基改性生物炭：土壤质量＝0.001-0.01：1，优选为0.005:1；III阶段中土壤微生物燃料电池中移栽水稻，种植5-8天，即可减少水稻吸收土壤重金属。
营养液中包括Fe(II)-EDTA 0.8-1.5mol·L-1，NaH2PO4 1.2-1.5mol·L-1，MgSO4·7H2O1.2-1.5mol·L-1，K2SO4 2.3-2.8mol·L-1，CaCl2 2.3-2.8mol·L-1，NH4Cl 1.2-1.5mol·L-1，ZnSO4·7H2O 0.3-0.8mol·L-1，CuSO4·5H2O 0.3-0.8mol·L-1，H3BO3 0.3-0.8mol·L-1，MnSO4 0.3-0.8mol·L-1，(NH4)6MoO24·4H2O 0.3-0.8mol·L-1。
所述的土壤微生物燃料电池是以聚丙烯不透光的无顶盖水培罐为电池主体，罐中装入砷污染水稻土，采用两个一样大小的圆环形碳毡分别做阴极和阳极；其中阳极碳毡用一根钛丝连接埋在土面下50-60mm处，阴极碳毡用另一根钛丝连接置于土表，最后再加入超纯水，直至水液面高出土壤界面2-3cm，使阴极碳毡漂浮在水中。
所述的水培罐高为内直径的1.5-2倍；所述的碳毡内直径与水培罐的内直径比为2-8：13。
本发明的装置的内阻为500Ω，因此外接电阻500Ω以保证阴极和阳极的反应最活跃。如果外接电阻大于500Ω，整个电池装置电流过小，不利于阴极、阳极反应和电子转移；如果外接电阻小于500Ω，整个电池装置电流过大，不利于阳极微生物在电极上附着和生长。
本发明土壤微生物燃料电池是利用土壤中的微生物产电的一种装置。在厌氧条件下阳极可以富集胞外呼吸菌。胞外呼吸菌又称为阳极呼吸菌，可以进行厌氧呼吸将电子传递到电极上，形成电流产电。水稻土在长期淹水条件下具有大量的胞外呼细菌，而这类胞外呼吸菌常常能够还原铁锰氧化物或者是As(V)，与砷的运移密切相关。利用土壤微生物燃料电池具有富集胞外呼吸菌的能力，可以促使土壤中的铁还原微生物将电子传递到阳极上而减少铁锰氧化物的还原溶解，从而减少砷的溶出量，降低砷的有效性，最终达到减少水稻吸收砷的目的。
附图说明
图1为微生物燃料电池装置图。
图2为土壤微生物燃料电池时间-电压曲线，A为F1的时间-电压曲线，B为F2的时间-电压曲线，C为F3的时间-电压曲线。
图3为孔隙水中二价铁含量。
图4为土壤孔隙水中砷浓度。
图5为土壤孔隙水中铅浓度。
图6为土壤孔隙水中铜浓度。
图7为土壤孔隙水中镉浓度。
具体实施方式
土壤理化性质测定及土壤处理
水稻土采自于浙江省嘉兴市，2013年7月，在早稻收割后采集表层(0-20cm)水稻土，土壤自然风干后，过100目的筛。对土壤进行消煮，使用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测定土壤中五种重金属含量，如图1。取300g风干的土壤与200mL含砷浓度为155mg·L-1的As(V)溶液混合，最终得到含砷120mg/kg的砷污染水稻土。将砷污染土自然风干2周，待用。
表1五种土壤重金属含量
水稻植株培养
水稻种子品种为秀水128，使用30％H2O2消毒20分钟后，用去离子水洗净，播种于湿润的珍珠岩中发芽。在珍珠岩中生长3周后，挑选生长一致的水稻苗移栽到营养液中培养，此营养液的配方如下表2。在培养液中生长2周后，取生长一致即叶长，叶数，重量一样的水稻移栽到工作中的微生物燃料电池中，生长1周。
表2水稻营养液组成
土壤微生物燃料电池构建及运行
土壤微生物燃料电池如图1所示包含以下几个方面：一个聚丙烯不透光的无顶盖水培罐作为电池主体，水培罐高110mm，内直径65mm；两个一样大小的圆环形碳毡分别做阴极和阳极；一个土壤孔隙水取样器(10Rhizon MOM,Rhizosphere Research Products,Netherlands)埋在阳极附近；一个500Ω的外电阻。将300g砷污染水稻土装入微生物燃料电池中，阳极碳毡用一根钛丝连接埋在土面下60mm处，阴极碳毡用另一根钛丝连接置于土表，最后再加入超纯水，直至水液面高出土壤界面2cm，使阴极碳毡漂浮在水中。阳极钛丝外包裹一层聚四氟乙烯空心软管，防止与阴极发生短路。通过设置碳毡面积不同，实验总共有三个不同电极面积处理，一个添加铁基生物炭处理，一个空白对照，如表3所示。所有实验有三个重复处理。
实验总共分三个阶段，I阶段：土壤微生物燃料电池不接外电阻开路状态启动3天；II阶段：土壤微生物燃料电池接入500Ω外电阻，闭路状态运行1周，添加铁基改性生物炭1.5g；III阶段：土壤微生物燃料电池中移栽水稻，种植1周。实验期间，每天使用万用表记录电池电压。
表3四种不同电极面积的土壤微生物燃料电池
土壤孔隙水中的Fe(II)和重金属含量的测定
在实验II阶段，使用土壤孔隙水取样器每隔一天采集2mL土壤孔隙水。取1mL与0.5mL 0.75mol·L-1盐酸(HCl)混合酸化10分钟，然后采用1,10-邻菲罗啉显色，于530nm下比色法测定土壤孔隙水中Fe(II)含量。另取1mL与0.5mL 5％的稀硝酸(HNO3)混合。使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS 7500a，Agilent Technologies)，测定孔隙水中砷，铅，铜，镉含量。
水稻体内重金属含量测定
在实验III阶段结束后，取出水稻用去离子水冲洗干净称重，在60℃的烘箱中烘干，分别剪下地上部分和根用玻璃研钵磨碎。样品分析采用湿灰化法。分别称取地上部分0.2g，根0.1g放入Foss消煮管中，加入5mL优级纯的浓硝酸过夜。然后在Foss消煮炉上加热，80℃加热1h后升温至120℃，持续恒温加热20小时。消煮后，使用超纯水稀释至40mL，使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS 7500a，Agilent Technologies)，测定样品中砷，铅，铜，镉含量。
土壤微生物燃料电池的电压
如图2所示(附图中，F1-1、F1-2、F1-3为F1的三个平行试验，F2-1、F2-2、F2-3为F2的三个平行试验，F3-1、F3-2、F3-3为F3的三个平行试验)，在I阶段，F1，F2，F3电池最大开路电压分别为358mV，373mV，389mV，在第3天接入外电阻后，电压迅速下降。在II阶段第11天，电池电压达到最大值，且大小顺序为F3>F2>F1，在移栽水稻后，由于氧气进入阳极导致电压迅速降低。在III阶段，电池电压趋于平衡，但由于水稻根系泌氧导致电池的III阶段电压小于II阶段的。结果说明，土壤微生物燃料电池碳毡面积的大小能够明显影响电池产电性能并且电池中种植水稻会降低电池电压。
孔隙水中Fe(II)含量
II阶段的孔隙水中的Fe(II)的含量变化如图3所示，随着时间的增加，土壤孔隙水中Fe(II)的含量也逐渐增加。在第8天时，F0处理的Fe(II)含量最大，浓度为2.23mmol·L-1，大约是F3处理的2倍。结果说明土壤微生物燃料电池能够降低土壤孔隙水中Fe(II)的含量，并且电池电极面积越大，Fe(II)的含量越低。
孔隙水中重金属含量
图4～7分别展示了II阶段孔隙水中砷(As)，铅(Pb)，铜(Cu)和镉(Cd)含量随时间变化曲线。孔隙水中As和Pd的变化曲线相似，都是随时间的增加而先增加后减小。As的浓度在II阶段的第6天达到最大值，浓度为10μmol L-1，且F0处理的As浓度大于其他处理；Pb的浓度则在II阶段的第4天达到最大值，浓度为0.13μmol L-1，且F0处理的Pb浓度最大。孔隙水中Cu浓度随着时间的增加而逐渐降低，且四个处理之间无明显差异。孔隙水中Cd浓度较稳定，并不随着时间而改变，但是F0处理的Cd浓度普遍高于其他三个处理。结果说明，土壤微生物燃料电池电极表面积的增加能够显著降低土壤孔隙水中中金属As、Pb和Cd的浓度。
水稻吸收重金属
在试验III阶段结束后，水稻体内吸收的重金属含量的结果如表4所示。水稻根比地上部分更能吸收累积重金属，分别来看，根中重金属As的含量大约是地上部分含量的17～41倍，根中重金属Cu的含量大约是地上部分含量的3～5倍，根中重金属Cd的含量大约是地上部分含量的4倍，根中重金属Pb的含量大约是地上部分含量的7～47倍。对水稻根吸收重金属含量结果单独分析可以得到，F4处理的水稻根吸收As含量最少，且其他四个处理的水稻根吸收的As含量显著大于F4处理，同理对重金属Cu和Pb也可以得到相同的结论。不同电极大小处理的水稻根吸收重金属Cd的含量无明显差异，但在添加铁基生物炭后，水稻根吸收重金属Cd的含量也明显下降。结果说明，土壤微生物燃料电池可以减少水稻根吸收重金属As、Cu、Cd和Pb。对水稻地上部分吸收重金属含量结果单独分析可以得到，水稻地上部分吸收As的含量大小是F0>F4，同样水稻地上部分吸收的Pb含量也是F0和F1处理显著大于F2、F3和F4处理，不同电极大小处理的水稻地上部分吸收重金属Cd的含量无明显差异，但在添加铁基生物炭后，水稻地上部分吸收重金属Cd的含量也明显下降。但是不同电极大小处理和是否添加铁基生物炭的水稻地上部分吸收的Cu含量则无显著性差异。结果说明，土壤微生物燃料电池可以减少水稻根吸收重金属As、Cd和Pd。
水稻生长性状分析
分别对五种处理的水稻移栽前和移栽后的生长性状进行分析得到结果如表5。水稻移栽到土壤微生物燃料电池后能够正常生长，移栽1周后的水稻重量(湿重)、叶数、叶长的平均值都大于移栽前，但是不同的处理间的水稻生长并无显著差异。
表4水稻生长性状分析
表5水稻体内重金属含量
表格数据以平均值±标准差显示(n＝3)
同一列数据中标注有不同的上小标字母(abc)代表在p<0.05时具有显著差异。
本发明通过构建土壤微生物燃料电池，增加胞外呼吸菌的电子受体，与三价铁氧化物竞争还原位点，降低可交换态重金属的溶解量，从而减少水稻体内吸收的重金属含量。
在实验II阶段，土壤微生物燃料电池的构建显著降低土壤Fe(III)氧化物的还原量，且电极表面积越大，土壤孔隙水中Fe(II)含量约低(图3)。土壤中存在的绝大部分胞外呼吸菌，例如Geobacter和Shewanalla菌，同时也是铁异化还原菌。在无电池存在的淹水土壤中，它们通过厌氧呼吸将电子传递给Fe(III)氧化物，将Fe(III)还原成Fe(II)，同时也导致Fe(III)氧化物表面吸附的可交换态重金属离子进入土壤溶液中。而在土壤中建立土壤微生物燃料电池之后，增加了土壤胞外呼吸菌的电子受体，电池阳极与Fe(III)氧化物竞争还原位点，因此将少了Fe(III)氧化物的还原量。在水稻土中建立土壤微生物燃料电池之后，发现土壤孔隙水中的Fe(II)浓度在闭路的土壤微生物燃料电池中要明显小于在开路的土壤微生物燃料电池中。同时对孔隙水中的重金属含量变化的监测也证实了以上理论。孔隙水中的As(图4)，Pd(图5)和Cd(图7)含量都因为土壤微生物燃料电池的构建而降低。但是在监测土壤孔隙水中Cu含量的变化是发现它并不受土壤微生物燃料电池的影响。猜测可能的原因是Cu是一种很容易被络合的重金属，并且本身也属于氧化还原物质，容易被还原为金属铜，因此释放溶液中的Cu能够迅速被络合或者被还原而减少。
通过测定对比有无土壤微生物燃料电池的水稻体内的重金属含量，也证实土壤微生物燃料电池的构建可以显著降低水稻根和地上部分吸收重金属As和Pd。在土壤微生物燃料电池添加铁剂生物炭后，铁基炭可以有效抑制土壤中Cd的迁移性，显著降低水稻根和地上部分吸收重金属Cd。水稻可以吸收的砷被称为有效态砷，而有效态砷主要包括溶液态砷和可交换态砷，因为土壤微生物燃料电池的构建减少了可交换态砷向土壤溶液中的释放量，所以能够有效减少水稻对这两种金属的吸收。在实际土壤砷污染控制中，这种通过减少砷的释放而达到砷污染控制的目的在实际工作中也应用较广泛。比如向土壤中施加固化剂或吸附剂，可以改变土壤中砷的形态，降低砷的有效性与移动性。例如向砷污染土壤中大量施加改性废弃稀土抛光粉，钢铁行业副产物钢研磨剂(97％的Fe)和氧化焊接颗粒(69％的Fe3O4)可以对砷污染土壤进行应急修复。
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