多氯聯(lián)苯在毫米級根際微域中的消減行為及生物響應(yīng)機(jī)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(jī)污染物(Persistant organic pollutants,POPs,),在土壤環(huán)境中不斷積累,嚴(yán)重危脅著土壤的生產(chǎn)和生態(tài)功能、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人類健康。防治和修復(fù)多氯聯(lián)苯污染、保障土壤環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品安全、以實(shí)現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)利用是當(dāng)前全球關(guān)注的焦點(diǎn)。植物修復(fù)是利用植物.微生物在根際環(huán)境降解有機(jī)污染物的復(fù)合生物修復(fù)技術(shù),是目

2、前最具潛力的土壤生物修復(fù)技術(shù)之一。研究植物修復(fù)多氯聯(lián)苯的根際響應(yīng)機(jī)制及其在根際微域中的降解作用機(jī)理,將為針對性地?cái)M定經(jīng)濟(jì)高效的土壤PCBs污染防治和修復(fù)的實(shí)用技術(shù)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。
　　 本論文以多氯聯(lián)苯為目標(biāo)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(chǔ)上采用多隔層根箱法和磷脂脂肪酸(PLFAs)技術(shù)開展了離根表不同距離微域中PCBs降解效應(yīng)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(fù)PCBs污染的根際響應(yīng)機(jī)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(yīng);最后,就黑麥草對PCBs的吸收、積累和體內(nèi)運(yùn)輸以及植物體內(nèi)解毒酶的響應(yīng)進(jìn)行了探討。主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)以Aroclor1242為目標(biāo)污染物,分別對土壤樣品中的分析條件進(jìn)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(zhì)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(biāo)回收率在81.4-90.2％之間,相對標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)。優(yōu)化了測定土壤中PCBs的色譜、質(zhì)譜條件,最終實(shí)現(xiàn)了Aroclor1242不同同系物之間的有效分離。
　　 (2)采用改進(jìn)的多隔層三室根箱

5、法,通過尼龍撩網(wǎng)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(yuǎn)根際的微域進(jìn)行劃分。Aroclor1242的根際消減行為存在距離根表不同距離遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yīng)

6、的污染物消減特性,有別于傳統(tǒng)植物營養(yǎng)學(xué)中發(fā)現(xiàn)的營養(yǎng)因子根際梯度遞減效應(yīng);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(zhì)DOC在不同PCBs污染水平下有不同的響應(yīng),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(xué)現(xiàn)代發(fā)展起來的微生物鑒定技術(shù)-PLFAs(Phospholipid fattyacids)技術(shù),圍繞PCBs根際特異消減行

7、為的土壤微生物學(xué)作用機(jī)制,系統(tǒng)深入研究了根際微域中特異性根分泌物誘導(dǎo)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在毫米級微域內(nèi)發(fā)生規(guī)律性交化,其在誘導(dǎo)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(guān)(p＜0.05)。對不同PCBs污染濃度水平下微生物群落結(jié)構(gòu)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(xiàn),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(jìn)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(nèi)的運(yùn)輸以及植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)(SOD,POD)的響應(yīng)。45天的盆栽實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于植株地上部分。說明從土壤吸收到植株體內(nèi)的24-CB主要富集在植物根部,只有少量的24-CB能夠轉(zhuǎn)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(nèi)活性氧清除系統(tǒng),在有機(jī)質(zhì)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(yīng)。因此土壤類型差異,尤其是有機(jī)質(zhì)也是影響24-CB生物有效性、最終影響到植物對其的修復(fù)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(fù)效果。根系分泌物的引入激發(fā)了土壤中

12、微生物群落結(jié)構(gòu)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(jìn)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(nèi)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(diǎn)的脫氯,從而導(dǎo)致了鄰位234-CB,245-CB,25-CB的