使用多种多元素萃取剂对中国西南部当地锌冶炼污染场地的重金属生物有效性进行评估 | MDPI IJERPH

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背景

我国幅员辽阔、地大物博、矿产资源种类繁多，这为我国经济可持续发展提供了重要保障。近几十年来，为了满足生产力不断发展的要求，以锌 (Zn) 为代表的矿产资源开发空前绝后。如今，中国贵州省西北部，特别是赫章市和威宁县，开展了大规模的锌冶炼工程。但由于冶炼处理工艺不先进，铜 (Cu)、镉 (Cd)、铬 (Cr) 等伴生金属大多残留在冶炼渣中，导致锌的回收率较低。此外，由于矿产在开发、冶炼过程中，锌、铅 (Pb)、铜、砷 (As)、镉、铬等有毒元素有各自的熔点和沸点，部分有毒元素通过干湿沉降进入周围土壤中，严重破坏了土壤环境。来自同济大学环境科学与工程学院的付融冰教授及其团队在IJERPH 期刊发表文章，将顺序萃取实验和一次萃取法与重金属释放动力学相结合，制定出更佳的污染土绕修复策略，这为缓解采矿冶铁导致的重金属污染提供了有价值的参考。

研究过程与结果

本研究中，作者首先介绍了本土炼锌的基本原理：含锌矿物发生氧化还原反应，在燃烧过程中获得电子还原成零价锌。主要的氧化还原公式为：2ZnS + 3C + 5O₂ = 2Zn + 3CO₂ + 5SO₂；2ZnCO₃ + C = 2Zn + 3CO₂。

作者从威宁县的一个本地锌冶炼污染场地 (104°20′40.61″ E, 26°57′22.06″ N) 收集了深度为0-20 cm的土壤样品运至实验室进行研究。在研究过程中，作者运用了七种化学萃取剂来确定冶炼污染土壤中的有效金属浓度，即，将约2.0 g干燥土壤与20 mL不同提取溶液以1:10 (m/V) 的比例混合，并在25 °C 和200 rpm下振荡4 h。上清液以4000 rpm离心20 min，通过0.45 μm过滤器过滤，再转移到15 mL离心机中。随后，将过滤后的上清液储存在4 °C下，直到通过ICP-OES确定可用的金属浓度。序贯提取实验表明：AA-EDTA萃取剂是测定研究土壤样品中有毒重金属有效浓度的最佳萃取剂。随后，为研究冶炼污染土壤中有效重金属的释放动力学，作者准确称取约2.0 g土壤，与20 mL AA-EDTA萃取剂混合，在25 °C下以200 rpm/min的速度振荡。在不同的接触时间 (0.5、1、2、4、8、12、24、48、72和96 h) 内收集萃取溶液，将所得悬浮液离心、过滤并通过ICP-OES分析重金属浓度。

如表1所示，所研究的土壤样品中经HCl + HNO3 + HF消解的重金属的平均浓度顺序为：Fe (铁) > Al (铝) > Zn > Mn (锰) > Pb > Cu > Ni (镍) > As > Cd。根据土壤环境质量标准 (GB 15618-2018)，农田土壤污染的风险筛选值为：RSV，6.5 < pH ≤ 7.5，而受检土壤中As (35.98 ± 6.84 mg/kg)、Cd (5.28 ± 0.39 mg/kg)、Pb (168.67 ± 10.10 mg/kg) 和 Zn (645.81 ± 34.95 mg/kg) 的总浓度高于这一点。结果表明，土壤中的重金属高度含量超标主要是由长期的冶炼活动引起的，而冶炼受污染的土壤也有类似结果。

表1. 研究土壤样品中的总金属和生物可利用金属浓度 (mg/kg)。

如图1所示，所研究土壤中Cd、Cu、Mn、Pb和Zn的释放浓度在0.5-96 h之间相对稳定，其生物可利用分数分别在28.39-33.88%、10.62-14.48%、17.81-32.55%、31.20-36.93%和19.24-24.01%的范围内。该发现表明Cd、Cu、Mn、Pb和Zn在短时间内达到释放平衡。相比之下，Al (0.59-1.28%)、Fe (0.12-0.49%) 和Ni (0.82-1.95%) 生物可利用浓度则呈现出两种不同的变化阶段：初始阶段 (0-24 h) 快速增加，随后缓慢增加 (24-96 h)。与研究中的其他金属不同，As的生物可利用浓度范围为1.25%至2.08%，并显示出三个不同的阶段：初始阶段 (0-4 h) 快速增加，第二阶段 (4-48 h) 快速减少，直至第三阶段达到平衡 (24-96 h)。这些结果可以解释为，随着释放反应的进行，大部分生物可利用重金属部分在初始阶段逐渐释放，这些研究的金属释放需要更长时间才能进一步接触AA-EDTA萃取剂。土壤金属生物有效性和分馏试验结果进一步证实了这些结论。

图1. (a) 所研究土壤中重金属的时间依赖性生物有效性；(b) 二阶模型描述的重金属释放动力学。

研究总结

本文使用各种多元素提取剂获取有关生物可利用金属部分的信息，研究重金属地球化学分馏和重金属释放动力学，通过对地球化学金属成分的深入探究和了解，为制定最佳修复策略以减轻冶炼场地重金属造成的潜在环境风险提供了启发。此外，研究者需要采取多学科的方法和有效的修复措施，以更好地管控全国类似冶炼污染场地的风险。此项研究结果着重使用了地球化学和矿物学的综合策略，对评估冶炼污染场地有毒重金属的潜在环境风险具有良好的指向作用。

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Wang, J.-X.; Xu, D.-M.; Fu, R.-B.; Chen, J.-P. Bioavailability Assessment of Heavy Metals Using Various Multi-Element Extractants in an Indigenous Zinc Smelting Contaminated Site, Southwestern China. Int. J. Environ. Res. Public Health 2021, 18, 8560.

  IJERPH 期刊介绍

主编：Paul B. Tchounwou, Jackson State University, USA

期刊主题涵盖环境科学与工程、公共卫生、环境卫生、职业卫生、健康经济和全球健康研究等。

2020 Impact Factor	3.390
2020 CiteScore	3.4
TFD*	17.8 Days
MPT*	42 Days

*TFD: First Decision Time; MPT: Median Publication Time

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