苯并[a] 芘污染土壤的植物根際修復(fù)研究初探

1、生態(tài)環(huán)境200716(2):425431EcologyEnvironmentEmail:edit@基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40432005）；河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（0511031400）；河南農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2006CX018）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（2002CB410810）；中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目（KZCX3SW429；CXTDZ20054）作者簡介：劉世亮（1970－），男，副教授，博士，主要從事土壤污

2、染生物修復(fù)與土壤化學(xué)研究。Email:shlliu@shlliu70@通訊作者收稿日期：20060824苯并[a]芘污染土壤的植物根際修復(fù)研究初探劉世亮12，駱永明2，丁克強(qiáng)2，李華2，吳龍華21.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州450002；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤和環(huán)境生物修復(fù)研究中心，南京210008摘要：研究了黑麥草（LoliummultiflumL.）對(duì)多環(huán)芳烴苯并[a]芘污染土壤的修復(fù)作用。研究結(jié)果表明，土壤中苯并[

3、a]芘的可提取態(tài)wB[a]P隨著時(shí)間延長而逐漸減少，黑麥草加快了土壤中可提取態(tài)苯并[a]芘的減少，提高了苯并[a]P在土壤中的降解率，在1、10、50mgkg1苯并[a]芘處理下，黑麥草生長土壤中苯并[a]芘的降解率分別達(dá)90.3%、87.5%、78.6%；而沒有黑麥草生長土壤中苯并[a]芘的降解率則為79.3%、66.4%、55.6%。黑麥草根際增加土壤中微生物碳的含量，從而提高植物對(duì)苯并[a]芘的降解率。植物的地上部也可積累少量苯并

4、[a]芘，但植物對(duì)苯并[a]芘的吸收不是黑麥草對(duì)其修復(fù)的主要機(jī)制。土壤自身具有修復(fù)苯并[a]芘的潛能，種植黑麥草具有強(qiáng)化土壤修復(fù)苯并[a]芘污染的作用。關(guān)鍵詞：植物修復(fù)；黑麥草；多環(huán)芳烴；苯并[a]芘中圖分類號(hào)：X131.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16722175（2007）02042507苯并[a]芘(B[a]P)是具有5環(huán)結(jié)構(gòu)的、世界公認(rèn)的強(qiáng)致癌性多環(huán)芳烴污染物[13]。因此，苯并[a]芘早被美國環(huán)保局列入優(yōu)先控制有毒有機(jī)污染物的黑

5、名單[4]。它常存在于石油污染物中，通過石油開采與運(yùn)輸過程的泄漏、石油污染水灌溉及大氣飄塵的沉降等途徑進(jìn)入土壤，由于B[a]P具有較高的辛醇－水分配系數(shù)和較高的蒸汽壓，在自然環(huán)境中很難降解，因此很容易在土壤等環(huán)境中積累，造成土壤污染[5]。20世紀(jì)80年代初期，謝重閣等[6]報(bào)道我國石油污灌區(qū)土壤中B[a]P的含量高達(dá)29~30?gg1。另有研究人員[7]觀察到清灌區(qū)土壤中的B[a]P含量＜10ngg1，而污灌后土壤B[a]P含量則從1

6、00~500ngg1提高至2444~7000ngg1，污染土壤B[a]P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高出清潔土壤幾十倍，甚至幾百倍。嚴(yán)重的B[a]P污染土壤，將會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)和人體健康帶來危害。近年來，對(duì)B[a]P污染土壤進(jìn)行修復(fù)特別是生物修復(fù)已成為國際研究的熱點(diǎn)之一。但是，國內(nèi)外開展的污染土壤清潔技術(shù)研究中，對(duì)B[a]P污染土壤的生物修復(fù)主要集中于微生物降解研究[812]。另外，利用植物及其根際直接或間接的吸收、同化或降解作用對(duì)PAHs污染土壤的修復(fù)研

7、究也有一些報(bào)道[1314]。研究結(jié)果表明，植物對(duì)PAHs的降解作用主要?dú)w功于植物根際的作用，即一方面是由于根際作用增加了微生物降解菌的數(shù)量，另一方面是因?yàn)橹参锓置谟袡C(jī)物為微生物共代謝提供了基質(zhì)底物[15]。Banks等[14]利用酥油草進(jìn)行了苯并[a]芘污染土壤的降解研究，發(fā)現(xiàn)根際可以促進(jìn)降解，在6個(gè)月后降解率可達(dá)到50％以上，同時(shí)表明植物對(duì)土壤中B[a]P歸宿的明顯影響。Bi[16]等曾利用黑麥草降解3~6環(huán)PAHs。研究表明，黑麥草

8、根際對(duì)降解包括5環(huán)和6環(huán)的大部分PAHs有很大的潛力，在對(duì)加入的PAHs進(jìn)行老化處理的土壤中尤為明顯。隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)逐漸從熱量型食品轉(zhuǎn)向營養(yǎng)型食品，特別是在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的長江三角洲地區(qū)，對(duì)畜產(chǎn)品的需求逐年加大。因而，我國的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)得到了重大調(diào)整，一個(gè)明顯趨勢(shì)是種植業(yè)向養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變，對(duì)牧草的需求量越來越高。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)與環(huán)境管理的不合理性，區(qū)域性環(huán)境污染在加劇。一個(gè)潛在的新的環(huán)境問題是持久性有

9、機(jī)污染物對(duì)土壤環(huán)境的污染。與此同時(shí)，一種利用土壤－植物系統(tǒng)來凈化修復(fù)持久性有機(jī)污染物的植物修復(fù)技術(shù)正在受到青睞。黑麥草是一種多年生的、可以多次收割的草本植物。如果我們能利用需求量日益增加的黑麥草這種牧草植物來修復(fù)B[a]P等有機(jī)污染物污染土壤，不僅能改善產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量，而且可以緩解對(duì)牧草的需求量，同時(shí)還能美化產(chǎn)地環(huán)境的景觀生態(tài)，但是，當(dāng)前對(duì)于黑麥草能否忍耐和修復(fù)污染土壤中B[a]P的問題尚未有很好的回答，對(duì)于用來修復(fù)多環(huán)芳烴的黑麥草作

10、為牧草的安全性同樣沒有得到應(yīng)有的評(píng)價(jià)。鑒于這些問題與需求，以及當(dāng)前黑麥草對(duì)土壤中多環(huán)芳烴降解的動(dòng)態(tài)過程及其生物學(xué)機(jī)理在國劉世亮等：苯并[a]芘污染土壤的植物根際修復(fù)研究初探427按上述方法測(cè)定土壤本底以及加入B[a]P丙酮溶液后土壤中B[a]P的含量。方法回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤樣品B[a]P的回收率為86.90%2.92%，所以此方法適合B[a]P測(cè)定的要求。2.2B[a]P處理下黑麥草生物量的動(dòng)態(tài)變化圖1顯示B[a]P污染土壤上黑麥

11、草地上部分植物鮮質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。與對(duì)照比較，1、10、50mgkg1三個(gè)B[a]P處理的黑麥草地上部分植物鮮質(zhì)量在前90d總體上都沒有顯著差異，但黑麥草生長時(shí)間到105d時(shí)，觀察到高wB[a]P處理（50mgkg1）對(duì)黑麥草生長的抑制作用（p0.05）。在整個(gè)試驗(yàn)期間三個(gè)B[a]P處理間的黑麥草地上部分植物鮮質(zhì)量無顯著變化。這說明黑麥草對(duì)土壤中多環(huán)芳烴B[a]P的毒性有較強(qiáng)的忍耐性。通常，自然土壤和一般農(nóng)地中的wB[a]P低于3mgkg

12、1，因而種植黑麥草不會(huì)出現(xiàn)B[a]P的毒害。同時(shí)，黑麥草生長周期長，生物量大，根系發(fā)達(dá)，為多年生植物，具有較好的景觀等特性。據(jù)此，黑麥草是一種可以用來恢復(fù)B[a]P等多環(huán)芳烴污染土壤植被景觀的草本植物。2.3土壤中可提取B[a]P濃度的動(dòng)態(tài)變化如圖2(下頁)所示，隨著時(shí)間延長，土壤中的可提取wB[a]P逐漸減少。在3個(gè)wB[a]P處理中，可提取量都在45d內(nèi)降低迅速，隨后變慢。在黑麥草生長后期，在wB[a]P為1mgkg1處理下的土壤中

13、可提取wB[a]P幾乎沒有變化，但對(duì)于wB[a]P為10mgkg1處理，土壤中可提取wB[a]P下降明顯，同時(shí)在50mgkg1處理中，其值也有減少趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樵谳^低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1mgkg1）下，被土壤螯合的B[a]P較穩(wěn)定，不易降解，而在wB[a]P為10mgkg1時(shí)土壤中的微生物和植物根系沒有受到B[a]P的毒害，進(jìn)一步參與了對(duì)B[a]P的降解作用，但在wB[a]P為50mgkg1下，較高的B[a]P毒性顯示出來，抑制了其在土壤中

14、的生物降解。同時(shí)從圖2可以看出，沒有種植物的非根際土壤中可提取態(tài)B[a]P也有較大幅度的減少。根際與非根際土壤中可提取態(tài)B[a]P減少的可能原因有：（1）生物性減少，即土壤中植物和微生物參與了對(duì)土壤中的B[a]P的吸收或降解；（2）非生物減少，即土壤顆粒的吸附使提取劑不能完全提取[21]或揮發(fā)?？商崛[a]P在土壤中減少的規(guī)律與前人的研究結(jié)果非常相似，即土壤中多環(huán)芳烴的降解趨勢(shì)為在植物生長的前期（40d）土壤中可提取態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降解非常

15、快，隨后是一個(gè)緩慢的減少過程[152223]。至于減少的量是由于完全降解為其它物質(zhì)還是被土壤顆粒特別是腐殖酸所螯合鎖定而未能被提取出，還有待進(jìn)一步探明。不過，從本試驗(yàn)可提取B[a]P隨時(shí)間大幅度減少的事實(shí)表明，土壤自身及其與黑麥草植物系統(tǒng)都具有較強(qiáng)的修復(fù)多環(huán)芳烴污染的功能及潛力。從圖2還可以看出，B[a]P在土壤中的下降曲線符合指數(shù)模型，不同B[a]P質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理下根際與非根際土壤中的動(dòng)力學(xué)過程可用以下方程來表示：wB[a]P為1mgk

16、g1處理下黑麥草根際土壤：y=1.0062402e0.2251x，r=0.9766；圖1B[a]P污染土壤上黑麥草地上部分植物鮮質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化Fig.1ChangesinshootbiomassofryegrassplantsgrowninB[a]PpollutedsoilCK:對(duì)照處理；B[a]P1：指土壤中添加的wB[a]P為1mgkg1B[a]P10：指土壤中添加的wB[a]P為10mgkg1，B[a]P50：指土壤中添加的wB[