菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草生长及Mn吸收的影响
时间：2023-04-24 13:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
曹俪壤 罗 洋何龙丽 段紫嫣 高丽文
（贵州师范学院地理与资源学院，贵州贵阳 550018）
电解锰渣是将锰矿石经酸浸出获得锰盐，再送电解槽电解析出单质金属锰的过程中所产生的酸浸渣、阳极泥、硫化渣和含铬废渣等，其中仍残留一定数量的锰[1]。植物体内锰含量过高会影响酶的正常活性，导致大量的H2O2和多酚物质产生，进而对植物体造成损伤。此外，过量的Mn2+会使叶绿素减少、光合速率降低，从而抑制Fe2+和Mg2+等元素的吸收，造成植物生长异常[2]。锰是人体所必需的微量元素之一，但摄入过量则会对机体产生不良影响。锰主要通过呼吸道进入机体，并对人的神经、生殖、呼吸等系统产生不同程度的损害[3]。电解锰渣在长期的露天堆存过程中，其中的Mn容易通过雨水的冲刷而渗入土壤、江河湖泊及地下水中，造成污染，并通过食物链威胁人类健康[4]。
生物炭具有发达的孔隙结构，其表面含有大量的官能团和负电荷，对重金属离子有较强的吸附和固定能力[5]，还能够通过改变基质理化性质和微生态环境来降低其中的重金属活性，在阻控废渣或污染土壤中重金属的迁移扩散方面有着较大的应用潜力[6-7]。目前的研究中，制备生物炭的原料主要为各种植物秸秆和畜禽粪便[8-9]。中国是食用菌生产大国，食用菌产量逐年增加，据中国食用菌协会发布的调查结果显示，2020年全国食用菌（鲜品）总产量达4 061.43万t，产值达3 465.65亿元。相应地，食用菌产业的副产品废菌棒的产量极大且不断增加。废菌棒的主要成分为木屑、秸秆、麦麸、稻壳等农林废弃物[10]。目前，我国废菌棒生物质资源综合利用率偏低，除少部分被应用于土壤肥料和育苗基质等方面，大部分被随意废弃、就地掩埋或者直接焚烧处理，一方面造成了土壤、水体和大气环境污染，破坏了生态环境；
另一方面废菌棒中剩余养分没有得到有效利用，造成生物质资源浪费[11]。
甜象草（Pennisetum purpureum）属禾本科狼尾草属，广泛种植于热带和亚热带地区，具有适应性强、繁殖快、产量高和利用周期长等特点[12]。作为一种能源植物，甜象草极具产乙醇潜力，有研究表明蒸汽爆破预处理后的甜象草经过分步糖化发酵得到的乙醇产率达89.11 mL/kg[13]。此外，甜象草可以在边际土地上开展规模化种植与应用[14-15]。在矿区种植甜象草，一方面能够改善当地土壤的物理条件和营养状况，有利于生态环境的恢复；
另一方面可充分利用矿区土地资源，做到其生产“不与人争粮、不与粮争地”[16]。
综上，该研究以电解锰渣为供试基质，利用盆栽试验，通过添加不同用量的菌棒生物炭并种植甜象草，结合室内测定分析，研究菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草出苗率、株高、鲜重、叶绿素、丙二醛及锰含量、锰渣中有效态锰含量的影响，从基质-植物系统的角度探讨菌棒生物炭作为改良剂在锰污染治理中的潜力，以期为废弃菌棒和电解锰产业废渣的资源化利用以及电解锰渣堆放区的生态恢复提供参考。
1.1 试验材料
供试电解锰渣：采自贵州省遵义市长沟锰矿废弃地，电解锰渣堆存时间为20年左右，经过长时期的风化淋溶作用，已具备一定肥力特征。将电解锰渣在室内风干后，挑出杂物磨碎过2 mm尼龙筛，充分混匀后置于直径为21 cm、高15 cm的花盆中，每盆装电解锰渣基质1.5 kg。
供试甜象草（Pennisetum purpureum）种子购于乌当区振华农贸市场，分别挑选粒大饱满、成熟度一致的植物种子，置于1%的H2O2溶液浸种10 min进行消毒，用自来水流水清洗，再用去离子水冲洗3次后，用滤纸吸干种子表面水分[17]。
供试菌棒生物炭：将采自贵州欧波农商贸有限责任公司的废弃菌棒自然晾干后用粉碎机粉碎，密封后放置于马弗炉中，400℃烧制2 h进行制炭。将制好的菌棒生物炭过100目尼龙筛，装袋备用。
1.2 试验设计
试验在贵州师范学院盆栽基地进行，共4个处理，分别为：CK，以不添加菌棒生物炭为对照；
T1，添加质量比为2.50%的菌棒生物炭；
T2，添加质量比为5.00%的菌棒生物炭；
T3，添加质量比为7.50%的菌棒生物炭。每个处理3次重复。取经过研磨过筛的锰渣与生物炭按比例混匀置于花盆中，用称重法保持基质含水量为田间持水量的60%左右，在室温下平衡7 d后，每盆播种甜象草种子15粒。植物生长期内每日观察并浇水，保持土壤含水量为最大田间持水量的60%左右。在室外生长60 d后，收获植株，先用自来水洗净，再用去离子水冲洗，擦干，测量株高和鲜重。一部分鲜样立即用于叶绿素和丙二醛含量的测定。另一部分样品置于105℃下杀青20 min，80℃下烘干至恒重后粉碎备用，供Mn含量测定。锰渣样品自然风干后磨碎，分别过10目和100目尼龙筛，装袋备用。
1.3 测定项目及方法
出苗率：规定时间出苗种子数/供试种子数×100%；
甜象草的株高和根长采用尺子测量，地上部鲜重采用万分之一天平称量。
甜象草叶片叶绿素含量采用95%乙醇提取后，分别于470、665和649 nm波长下测定吸光度，计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量；
丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥酸法（TBA）测定[18]。甜象草Mn含量采用HNO3-HClO4体系消解，原子吸收光谱仪（德国耶拿novAA350）测定。锰渣有效态Mn含量采用0.1 mol/L HCl提取，原子吸收光谱仪（德国耶拿novAA350）测定。测试过程通过设置空白和重复样进行分析质量控制，所用试剂均为优级纯。
1.4 数据分析
应用IBM SPSS Statistics 25.0和Microsoft Excel 2010软件对试验所得的各种数据进行处理和分析，用最小显著性差异法（LSD）进行显著差异检验分析，显著性水平设置为P＜0.05。
2.1 菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草生长的影响
同处理条件下甜象草的生长情况相关指标见表1。对照组出苗率为31.11%，添加不同质量比的生物炭后显著增加至48.89%（T1）、95.56%（T2）和82.22%（T3），其中T2和T3处理组甜象草出苗率还显著高于T1处理组（P＜0.05），但两者之间差异不显著。对照组和2.50%生物炭处理组甜象草的株高接近，当菌棒炭添加量增至5.00%和7.50%以后，则较对照分别显著增加了30.14%和24.72%（P＜0.05）。甜象草在添加生物炭的电解锰渣中生长60 d后，T2处理组的地上部鲜重达3.18 g/株，显著高于其余处理（P＜0.05），较对照（1.82 g/株）显著增加了74.73%。其次是T3处理组，其鲜重较对照显著增加了50.00%，而T1处理组与对照无明显区别。
表1 不同处理条件下甜象草的出苗率、株高和鲜重
2.2 菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草叶绿素含量的影响
由表2可知，甜象草叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量从大到小依次为T2＞T3＞T1＞CK，其中添加生物炭处理组叶绿素a含量与对照相比均有显著提升（P＜0.05），其增幅分别为117.20%（T2）、83.87%（T3）和31.18%（T1）。而T2和T3处理组的叶绿素b含量比对照组增加了88.89%和66.67%，但两者相互之间差异不显著。研究还发现，添加质量比为5.00%的菌棒生物炭处理组甜象草叶片总叶绿素含量达2.87 mg/g，较对照显著增加了107.97%（表2），也显著高于施用质量比为2.50%和7.50%的菌棒生物炭处理组（P＜0.05）。
表2 不同处理条件下甜象草的叶绿素含量
2.3 菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草丙二醛含量的影响
由图1可知，添加不同用量的菌棒生物炭后，甜象草体内丙二醛含量发生了一定改变。其中，施用质量比为5.00%和7.50%的生物炭处理组的植株丙二醛含量分别较对照组显著降低了21.15%（T2）和17.67%（T3），但两者之间无显著差异。此外，添加质量比为2.50%的菌棒生物炭（T1）处理组丙二醛含量较对照组（CK）也显著降低了7.32%，但显著高于T2和T3处理组（P＜0.05）。
图1 不同处理条件下甜象草丙二醛含量
2.4 菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草Mn含量的影响
由图2可知，随着菌棒生物炭施用量的增加，甜象草地上部Mn含量呈降低趋势。与对照相比，其降幅分别为23.41%（T1）、32.23%（T2）和40.36%（T3），差异均达显著性水平（P＜0.05）。此外，T2与T1、T3间无显著性差异，但T1与T3两者之间差异显著。
图2 不同处理条件下甜象草Mn含量
甜象草的生长状况能够间接反映菌棒生物炭对电解锰渣的改良效果。在本研究中，添加菌棒生物炭以后，甜象草的出苗率、株高和鲜重等指标较对照均有不同程度的提高。分析其原因主要包括2个方面：一是菌棒生物炭本身含有N、P、K、Na、Ca、Mg等矿质元素，可以增加基质的养分供应能力，有利于植物的生长发育[19]。另一方面，菌棒生物炭的制备过程中会生成大量的碱性基团，施加后会提高土壤的pH，促使锰渣中游离态的Mn向残渣态转化，降低了Mn在土壤中的溶解性、移动性以及生物有效性，抑制了甜象草对Mn的吸收，进而缓解了Mn的胁迫，阻止了膜脂过氧化作用产生的丙二醛对细胞膜的破坏，增强了甜象草的光合作用，最终促进了幼苗的生长[20-22]。在该研究中，以质量比为5.00%的添加量处理组综合应用效果最优，表明适量添加菌棒生物炭可改善锰渣微环境，提高甜象草的抗逆性，如果用量过少，则影响不明显，而用量过大可能带来碳氮比失衡、盐害和经济成本高等不利因素。
该研究采用盆栽试验，通过植物生长指标、生理指标和Mn含量指标的测定，表明添加适量的菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草的生长具有一定的促进作用。然而试验是在盆栽条件下进行，与野外实际情况存在一定差距，其应用效果还有待实施田间试验进一步验证。此外，关于菌棒生物炭对电解锰渣的改良机理、影响因素及条件优化等方面的研究也有待进一步开展。
添加菌棒生物炭促进了电解锰渣上甜象草的生长。甜象草的出苗率、株高、鲜重等指标与对照相比均有不同程度的提高，其中以施用梯度为5.00%时促进效果最优。
添加菌棒生物炭改善了电解锰渣上能源草的生理特性。当用量为5.00%时，其叶绿素a、叶绿b和总叶绿素含量分别较对照增加了117.20%、88.89%和107.97%。
添加菌棒生物炭降低了电解锰渣有效态Mn含量，抑制了甜象草对Mn的吸收，使其地上部Mn含量较对照降低了23.41%（添加量为2.50%）、32.23%（添加量为5.00%）和40.36%（添加量为7.50%）。
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