复合生物质炭对小白菜品质及镉污染土壤钝化效果的影响开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1. 课题的意义

随着工业化和城市化的迅猛发展，环境中的重金属污染情况日益严重[1]。采矿、冶炼以及农业生产中的磷肥、污泥的施用等活动均加剧了土壤重金属的污染[2-3]。镉在土壤中具有较强的蓄积性、迁移能力和生物可积累性，是最有毒性的无机污染物之一[4-5]。镉主要通过食物摄入的方式进入人体，在人体中的半衰期长达20-40年，对骨骼及肾脏造成严重危害。据2014年原环保部的数据显示，我国土壤镉污染位点超标率达7，远高于汞（1.6）、砷（2.7）、铅（1.5）等其他重金属元素[6]。近年来，由于土壤镉污染造成的粮食作物镉超标的现象引起了极大的关注。针对日益严重的土壤镉污染问题，采取有效的治理措施以及保障粮食安全生产一直是相关领域的研究热点。

生物质炭是限氧条件下热裂解生物质获得的一种固体材料，含有稳定态有机碳以及可溶性有机碳及矿质灰分等多组分混合物，生物质炭可明显提高土壤质量和生产力。研究显示，施用生物质炭可改善土壤结构、土壤持水量、提高土壤有机质含量、促进土壤养分循环并提高作物产量[7-13]。同时，生物质由于具有高ph、高比表面积、丰富的孔隙及表面官能团等特性，作为重金属污染土壤的修复材料受到环境修复界的广泛关注[14-16]。本课题比较不同种类及不同配比生物质炭钝化重金属的效果，期望为农业土壤镉污染治理及污染土壤修复提供科学参考。

2. 研究的基本内容和问题

1. 研究目标

目前，生物质炭钝化土壤中重金属已经得到了广泛的应用，然而不同种类生物质炭由于其性质差异较大，钝化重金属的效果不尽相同。单一生物质炭与复合生物质炭对吸附重金属的效果也不同。本研究施用不同种类及不同配比的生物质炭，从植物品质指标变化探讨单一和复合生物质炭对镉污染土壤的修复效果及作用机制。

2. 研究内容

3. 研究的方法与方案

1. 研究方法

1.1植物品质的测定

（1） 硝酸盐含量的测定：水杨酸比色法

（2） 可溶性蛋白的测定：考马斯亮蓝法

（3） 可溶性糖的测定：蒽酮比色法

（4） 维生素C的测定：2,6-二氯靛酚滴定法

1.2重金属的测定

（1）土壤重金属的测定：原子吸收分光光度法

（2）植物地上部及根内重金属含量的测定：原子吸收分光光度法

2. 技术路线

见附件1

3.实验方案3.1生物质炭的制备

将牛骨、大豆秸秆、油菜秸秆进行干燥和粉碎处理，然后放入马弗炉中，分别在500℃、450℃、450℃下裂解，之后冷却至室温，将制得的生物质炭磨细过20目筛。得到大豆秸秆炭、油菜秸秆炭及骨炭（分别记作CBB、SBB、RSB），待用。

3.2盆栽试验

试验采用盆栽的方式，将于2020年3月-2020年5月在南京农业大学卫岗校区资源与环境科学学院日光温室内进行。试验选用了250mm × 180mm（上口径×高）塑料盆，每盆装2kg风干土壤，按照每千克土壤NP₂O₅K₂O0.20.150.2的比例，一次性施入尿素0.65g、磷酸二氢铵0.44g、硫酸钾0.74g。

供试白菜品种为苏州青，白菜种子浸种催芽后播种，每个处理设置3个平行，播种前先浇透水，静置1天后每盆均匀播种10-15颗种子，待菜苗出2-3片真叶时，进行间苗，苗距3-4cm，每盆留4株，间苗后及时浇水1次。发芽期应控制温度20-25℃，幼苗出土后保持20℃左右。每日光照14小时。播种至出苗前保持土壤湿润，出苗后2-3天浇一次水，保持最大田间持水量的26。共设置了11个处理，加炭量为5t/ha和10t/ha，复合生物质炭的配比为骨炭：大豆秸秆炭14，骨炭：油菜秸秆炭14，具体配比见表1。

表1 不同处理配比

3.3植物品质的测定

3.3.1植物体内硝酸盐含量的测定-水杨酸比色法

3.3.1.1试剂

（1）500mg/L 硝态氮标准溶液：精确称取烘至恒重的KNO₃ 0.7221g溶于蒸馏水中，定容至200ml；

（2）5水杨酸─硫酸溶液：称取5g水杨酸溶于100ml比重为1.84的浓硫酸中，搅拌溶解后，贮于棕色瓶中；

（3）8氢氧化钠溶液：80g氢氧化钠溶于1L蒸馏水中。

3.3.1.2方法

标准曲线的制作：

（1）吸取500mg/L 硝态氮标准溶液0ml、1ml、2ml、3ml、4ml、6ml、8ml、10ml、12ml分别放入50ml容量瓶中，用无离子水定容至刻度，使之成0、10、20、30、40、60、80、100、120mg/L的系列标准溶液；

（2）吸取上述系列标准溶液0.1ml，分别放入刻度试管中，以0.1ml蒸馏水代替标准溶液作空白，再分别加入0.4ml 5水杨酸—硫酸溶液，摇匀，在室温下放置20min后，再加入8 NaOH溶液9.5ml，摇匀冷却至室温。显色液总体积为10ml；

（3）绘制标准曲线：以空白作参比，在410 nm波长下测定光密度。以硝态氮浓度为横坐标 ，光密度为纵坐标，绘制标准曲线并计算出回归方程。

样品中硝酸盐的测定：

（1）取一定量的植物材料剪碎混匀，用天平精确称取材料2g左右，各加入10ml无离子水，用玻璃泡封口，置入沸水浴中提取30min。到时间后取出，用自来水冷却，将提取液过滤到25ml容量瓶中，并反复冲洗残渣，最后定容至刻度；

（2）吸取样品液0.1ml分别于三支刻度试管中，然后加入5水杨酸—硫酸溶液0.4ml，混匀后置室温下20min，再慢慢加入9.5ml 8NaOH溶液，待冷却至室温后，以空白作参比，在410nm波长下测其光密度。在标准曲线上查得或用回归方程计算出硝态氮浓度，再用以下公式计算其含量：

硝酸盐含量(mg/kg)X*V*T/W

式中X为标准曲线上查得NO₃-N量（mg/L）；V为测定所需的样品液体积；T为分取倍数；W为样品鲜重(g)。

3.3.2植物体内可溶性蛋白含量的测定-考马斯亮蓝法

3.3.2.1试剂

（1）1000ug/ml标准蛋白质溶液（原液）：称取0.1000g牛血清白蛋白，溶于100ml水；

（2）100ug/ml标准蛋白质溶液：吸取上述母液10ml，稀释到100ml；

（3）考马斯亮蓝G－250溶液：0.1000g考马斯亮蓝，溶于50ml 95乙醇，加入85磷酸100ml，最后用蒸馏水定容到1000ml，置于棕色瓶；

（4）90乙醇；

（5）85磷酸。

3.3.2.2测定方法

标准曲线制作

标准曲线的制作：取六支具塞试管，吸0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0ml 的100μg/ml血清白蛋白液，之后加1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0ml的H₂O，再分别加入5ml考马斯亮蓝G—250试剂，蛋白质含量分别为0、20、40、60、80、100ug。盖塞，反转混合数次，放置2min后，在595nm下比色，绘制标准曲线。

样品中可溶性蛋白的测定：

（1）称取叶片0.5-1.0g 放入研钵，加2ml水研磨成匀浆，转移到10ml离心管，再用6ml蒸馏水洗研钵 。室温放置0.5-1h以充分提取，然后4000r/min离心20min，弃去沉淀，上清液转入10ml容量瓶，定容；

（2）吸取样品提取液0.1ml，放入具塞试管中，每个样品设置两个重复，加入5ml考马斯亮蓝G－250溶液，充分混合，放置 2min后在595nm下比色，记录吸光值，并通过标准曲线查得蛋白质含量，用以下公式计算其含量：

样品蛋白质含量(g/kg）C*T/W

式中C为查标准曲线所得每管蛋白质含量（ug）；T为分取倍数；W为样品鲜重（g）。

3.3.3可溶性糖-蒽酮比色法

3.3.3.1试剂

（1）1蔗糖储备溶液：蔗糖80℃烘干至恒定，称取1.000g溶解，加入0.5ml浓硫酸，定容至100ml；

（2）100ug/ml蔗糖标准液：吸1ml蔗糖储备液，定容至100ml；

（3）蒽酮乙酸乙酯试剂：取蒽铜1.00g，溶于50ml乙酸乙酯中，储存于棕色瓶，有晶体可微热溶解；

（4）乙酸乙酯；

（5）浓硫酸。

3.3.3.2测定方法

标准曲线制作：

取6支大试管，从0～5分别编号，按下表2加入各试剂。

表2

将各管快速摇动混匀后，在630nm波长制标准曲线。

样品中可溶性糖的测定

（1）称取剪碎混匀的新鲜样品0.5～1.0 g，放入大试管中，加入15 ml 蒸馏水，在沸水浴中煮沸20 min，取出冷却，过滤入100 ml 容量瓶中，用蒸馏水冲洗残渣数次，定容至刻度；

（2）取待测样品提取液1ml ，加蒽酮试剂0.5ml，浓H₂SO₄5ml，同以上操作显色测定光密度，重复2次。用以下公式计算其含量：

可溶性糖含量（g/kg）X*T/W

X为从标准曲线查得糖的量（ug）；T为分取倍数；W为样品鲜重（g）。

3.3.4小白菜维生素C（抗坏血酸）含量测定

3.3.4.1试剂

（1）2草酸：2g溶于100ml水；

（2）2,6-二氯酚靛酚：50mg溶解于含有52mg NaHCO₃的热水中，冷却，定容于250ml。贮存棕色瓶4℃保存；

（3）0.1mg/ml标准抗坏血酸：50mg溶解于2草酸溶液，然后用2草酸定容于500ml。

3.3.4.2样品中维生素C的测定

（1）称样品2g放研钵中，加入2草酸约5ml研碎。转移至50ml容量瓶，用2草酸定容，离心过滤。

（2）空白滴定：取2草酸10ml至蒸发皿，以2,6-二氯酚靛酚滴定至粉红色，并30s不褪色，记录体积V₀；

（3）2,6-二氯酚靛酚的标定：取5ml 0.1mg/ml标准抗坏血酸，同上，记录体积V₁；

（4）样品滴定：取滤液10ml于蒸发皿，用标定的2,6-二氯酚靛酚滴定至粉红，记录体积V₃；

（5）结果计算：Vc（mg/100g）(（V₃-V₀ ）×A×Ts×100)/W

式中：A为滴定度，即1ml染料溶液相当的抗坏血酸mg数；Ts：分取倍数；W为样品鲜重（g）。

3.4重金属的测定

3.4.1土壤重金属的测定- HF—HClO₄—HNO₃三酸消煮法

取风干磨细过100目土样0.5000g于30ml聚四氟乙烯坩埚内，滴几滴三级水浸润，10mlHF和5ml HNO3HClO4（11优级纯）混合酸，放置过夜，砂浴低温消化1小时以后，升到200℃1小时，再升高温度（250-300℃之间以下），继续消化至HClO₄ 大量冒烟，再加5ml HF和5ml 混合液，消化至HClO₄大量冒烟并至干)，再加5ml硝酸消解至余约2ml，如剩余液不是清亮透明则须补加HF，直至消煮完全。

冷却后用三级水定容至25ml待测，标线用1硝酸定容，标准曲线与样品酸度条件尽量保持一致。

3.4.2植物重金属的测定-HNO₃HClO₄41消煮法

称取烘干磨细植物样品0.5000—1.0000g于100ml高脚烧杯中，加HNO₃HClO₄（41，优级纯）混合酸10ml，放置过夜，砂浴低温加热30min，加大火力（温度控制在200℃以下），待瓶内开始冒大烟时，注意经常摇动烧杯防止样品炭化变黑，必要时可以补加适量混合酸，直到瓶内溶液呈无色透明尚有约2ml时终止，冷却后用三级水洗入25ml容量瓶中，定容，必要时需要用定量滤纸过滤，样品溶液待测。

工作曲线用1硝酸溶液配制。

2. 可行性分析

（1） 实验在南京农业大学资源与环境科学学院温室内进行，温室内设有日光灯、温度保持在20℃左右，适合白菜生长；实验测定在南京农业大学农业资源与生态环境研究所进行，硬件设备能够满足实验要求。

（2） 根据国内外文献报道，复合生物质炭相较于单一生物质炭而言有较好的钝化效果，本实验在理论与实际上都有依据。

（3） 经过大量文献资料查找，确定了试验方案、测定指标及方法，试验方案可行。

4. 研究创新点

（1） 目前研究多集中在施用不同原料生物质炭对土壤镉钝化效应的影响，而研究复合生物质炭钝化土壤镉并抑制植物吸收重金属的研究还比较少；

（2） 目前研究单一种类生物质炭钝化重金属的机理较多，复合生物质炭相较于单一生物质炭而言，钝化重金属效果更好，但是前人对复合生物质炭提高钝化效果的机理研究较少；

（3） 前人对复合钝化剂的研究多集中生物质炭与其他种类钝化剂如黏土矿物进行复配，而不同种类生物质炭混合复配的研究还比较少。

5. 研究计划与进展

2019年10月

（1） 与指导教师探讨实验课题，确定实验课题

（2） 查阅相关文献资料，确定测定指标，实验方法