多氯聯(lián)苯在毫米級根際微域中的消減行為及生物響應機制研究.pdf

1、多氯聯(lián)苯(Polychlorinated biphenyls)是環(huán)境中普遍存在的具有代表性的一類重要持久性有機污染物(Persistant organic pollutants,POPs,),在土壤環(huán)境中不斷積累,嚴重危脅著土壤的生產和生態(tài)功能、農產品質量和人類健康。防治和修復多氯聯(lián)苯污染、保障土壤環(huán)境和農產品安全、以實現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)利用是當前全球關注的焦點。植物修復是利用植物.微生物在根際環(huán)境降解有機污染物的復合生物修復技術,是目

2、前最具潛力的土壤生物修復技術之一。研究植物修復多氯聯(lián)苯的根際響應機制及其在根際微域中的降解作用機理,將為針對性地擬定經濟高效的土壤PCBs污染防治和修復的實用技術提供基礎理論依據(jù)。
　　 本論文以多氯聯(lián)苯為目標污染物,首先優(yōu)化、確立了土壤環(huán)境中PCBs的提取-凈化-分離的分析方法,并在此基礎上采用多隔層根箱法和磷脂脂肪酸(PLFAs)技術開展了離根表不同距離微域中PCBs降解效應的研究;從根際微生物、根系分泌物角度研究了黑麥草修

3、復PCBs污染的根際響應機制;采用溶液培養(yǎng)的手段收集黑麥草根系分泌物,研究了模擬根際環(huán)境條件下PCBs的降解以及微生物的響應;最后,就黑麥草對PCBs的吸收、積累和體內運輸以及植物體內解毒酶的響應進行了探討。主要研究結果如下:
　　 (1)以Aroclor1242為目標污染物,分別對土壤樣品中的分析條件進行了優(yōu)化,研究了萃取溶劑、溫度、時間等萃取條件對多氯聯(lián)苯回收效率的影響,建立了超聲萃取-氣相色譜質譜法測定土壤中多氯聯(lián)苯的分析

4、方法。采用正已烷/丙酮(v/v=1/1)混合液作為萃取溶劑,萃取最佳溫度為35℃,萃取時間為30 min,在此條件下多氯聯(lián)苯Aroclor1242的平均加標回收率在81.4-90.2％之間,相對標準偏差為2.8-3.8%。采用濕法填柱、20ml正已烷作為淋洗溶劑,有效去除了萃取液中的干擾物質。優(yōu)化了測定土壤中PCBs的色譜、質譜條件,最終實現(xiàn)了Aroclor1242不同同系物之間的有效分離。
　　 (2)采用改進的多隔層三室根箱

5、法,通過尼龍撩網插片的控制,對根際土壤根室,距離根表1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm的近根際,以及＞5 mm遠根際的微域進行劃分。Aroclor1242的根際消減行為存在距離根表不同距離遠近的差異,在8mg/kg(低濃度)和16mg/kg(高濃度)兩個污染水平下均呈現(xiàn)出一致的趨勢,即近根際＞根室＞遠根際;Aroclor1242的最大消減水平發(fā)生在距離根表3 mm處,而不是距離根表最近的根室和1、2 mm處,表現(xiàn)出根際效應

6、的污染物消減特性,有別于傳統(tǒng)植物營養(yǎng)學中發(fā)現(xiàn)的營養(yǎng)因子根際梯度遞減效應;不同氯含量的PCBs表現(xiàn)出不同的消減效率,研究發(fā)現(xiàn)低氯聯(lián)苯,尤其是二氯聯(lián)苯表現(xiàn)出較高的降解效率。作為土壤中重要活性物質DOC在不同PCBs污染水平下有不同的響應,高污染水平下DOC含量明顯低于對照和低濃度污染水平。
　　 (3)借助土壤學現(xiàn)代發(fā)展起來的微生物鑒定技術-PLFAs(Phospholipid fattyacids)技術,圍繞PCBs根際特異消減行

7、為的土壤微生物學作用機制,系統(tǒng)深入研究了根際微域中特異性根分泌物誘導的土壤微生物群落結構的微空間演變特征。研究發(fā)現(xiàn),受到黑麥草生長及根系分泌物的影響,微生物群落結構在毫米級微域內發(fā)生規(guī)律性交化,其在誘導PCBs快速消減方面起著決定性的作用。在種植物的處理中,單個PLFA i16:0,16:0 N alcohol,18:0(10Me),i16:1,a15:0,i14:1,14:02OH,18:h09c,a17:0,14:03OH,i14:

8、0,a16:0,16:1ω5c與Aroclor1242的消減呈顯著正相關(p＜0.05)。對不同PCBs污染濃度水平下微生物群落結構的研究表明,16 mg/kg高濃度污染水平下,真菌種群受到激發(fā),真菌PLFAs較對照、低濃度處理顯著增加(p＜0.05),這可能是Aroclor1242作為碳源,被真菌利用所致。單體PLFA i16:1在黑麥草處理和對照處理中對Arocbr1242的消減都有較大的貢獻,這一發(fā)現(xiàn)解釋了在未種植物處理中Aroc

9、lor1242消減的原因之一,進一步證明在受PCBs污染的自然土壤中,某些微生物對多氯聯(lián)苯的自然消減發(fā)揮著重要的作用。
　　 (4)以鄰位和對位取代氯的PCB7(24-CB)為研究對象,研究了其在黑麥草根際環(huán)境中24-CB的降解、黑麥草體內的運輸以及植物體內抗氧化系統(tǒng)(SOD,POD)的響應。45天的盆栽實驗結果表明,在兩種土壤中,黑麥草根際對24-CB在土壤中的消減均有顯著的促進作用。由初始濃度的30±0.5 mg/kg分別減

10、少到3.43 mg/kg和2.09 mg/kg。植株根部和地上部分也均有24-CB的檢出,并且根部24-CB富集量遠遠高于植株地上部分。說明從土壤吸收到植株體內的24-CB主要富集在植物根部,只有少量的24-CB能夠轉移到地上部分。植物吸收不是土壤中PCBs減少的主要原因。24-CB脅迫顯著影響黑麥草體內活性氧清除系統(tǒng),在有機質含量不同的兩種土壤中表現(xiàn)有所差異。淋溶土處理中,POD活性較對照處理顯著增加,說明在適度的24-CB脅迫下,黑

11、麥草可激發(fā)其自身的防御體系;松軟土中與未受24-CB脅迫的對照比較,POD在污染脅迫下沒有顯著變化。SOD活性在兩種土壤處理中也表現(xiàn)出不同的響應。因此土壤類型差異,尤其是有機質也是影響24-CB生物有效性、最終影響到植物對其的修復效率的重要因素之一。
　　 (5)采用水培法收集黑麥草根系分泌物,將其添加在2345-CB污染的土壤中,模擬根際環(huán)境條件,研究了根系分泌物對2345-CB污染土壤的修復效果。根系分泌物的引入激發(fā)了土壤中

12、微生物群落結構的明顯變化,好氧微生物受到了抑制,而厭氧微生物,特別是甲烷氧化菌和硫酸鹽還原菌大量繁殖,進而影響到2345-CB的降解速率和降解途徑。根系分泌物的添加在短期內顯著提高了2345-CB的消減速率,隨著培養(yǎng)時間的延長,根系分泌物對其消減的影響逐漸減弱。此外研究發(fā)現(xiàn),在2345-CB的消減途徑中,主要表現(xiàn)為還原脫氯作用,發(fā)生在間位(meta-)和對位(para-)位點的脫氯,從而導致了鄰位234-CB,245-CB,25-CB的