苯并[a] 芘污染土壤的植物根際修復研究初探

1、生態(tài)環(huán)境200716(2):425431EcologyEnvironmentEmail:edit@基金項目：國家自然科學基金重點項目（40432005）；河南省自然科學基金項目（0511031400）；河南農業(yè)大學創(chuàng)新基金項目（2006CX018）；國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目（2002CB410810）；中國科學院知識創(chuàng)新項目（KZCX3SW429；CXTDZ20054）作者簡介：劉世亮（1970－），男，副教授，博士，主要從事土壤污

2、染生物修復與土壤化學研究。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研究初探劉世亮12，駱永明2，丁克強2，李華2，吳龍華21.河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，鄭州450002；2.中國科學院南京土壤研究所土壤和環(huán)境生物修復研究中心，南京210008摘要：研究了黑麥草（LoliummultiflumL.）對多環(huán)芳烴苯并[a]芘污染土壤的修復作用。研究結果表明，土壤中苯并[

3、a]芘的可提取態(tài)wB[a]P隨著時間延長而逐漸減少，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，但植物對苯并[a]芘的吸收不是黑麥草對其修復的主要機制。土壤自身具有修復苯并[a]芘的潛能，種植黑麥草具有強化土壤修復苯并[a]芘污染的作用。關鍵詞：植物修復；黑麥草；多環(huán)芳烴；苯并[a]芘中圖分類號：X131.3文獻標識碼：A文章編號：16722175（2007）02042507苯并[a]芘(B[a]P)是具有5環(huán)結構的、世界公認的強致癌性多環(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80年代初期，謝重閣等[6]報道我國石油污灌區(qū)土壤中B[a]P的含量高達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的質量分數(shù)可高出清潔土壤幾十倍，甚至幾百倍。嚴重的B[a]P污染土壤，將會給生態(tài)系統(tǒng)和人體健康帶來危害。近年來，對B[a]P污染土壤進行修復特別是生物修復已成為國際研究的熱點之一。但是，國內外開展的污染土壤清潔技術研究中，對B[a]P污染土壤的生物修復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PAHs污染土壤的修復研

7、究也有一些報道[1314]。研究結果表明，植物對PAHs的降解作用主要歸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，另一方面是因為植物分泌有機物為微生物共代謝提供了基質底物[15]。Banks等[14]利用酥油草進行了苯并[a]芘污染土壤的降解研究，發(fā)現(xiàn)根際可以促進降解，在6個月后降解率可達到50％以上，同時表明植物對土壤中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、根際對降解包括5環(huán)和6環(huán)的大部分PAHs有很大的潛力，在對加入的PAHs進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，人們的飲食結構逐漸從熱量型食品轉向營養(yǎng)型食品，特別是在我國經濟高速發(fā)展的長江三角洲地區(qū)，對畜產品的需求逐年加大。因而，我國的農業(yè)結構得到了重大調整，一個明顯趨勢是種植業(yè)向養(yǎng)殖業(yè)轉變，對牧草的需求量越來越高。經濟的高速發(fā)展和農業(yè)結構與環(huán)境管理的不合理性，區(qū)域性環(huán)境污染在加劇。一個潛在的新的環(huán)境問題是持久性有

9、機污染物對土壤環(huán)境的污染。與此同時，一種利用土壤－植物系統(tǒng)來凈化修復持久性有機污染物的植物修復技術正在受到青睞。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B[a]P等有機污染物污染土壤，不僅能改善產地土壤環(huán)境質量，而且可以緩解對牧草的需求量，同時還能美化產地環(huán)境的景觀生態(tài)，但是，當前對于黑麥草能否忍耐和修復污染土壤中B[a]P的問題尚未有很好的回答，對于用來修復多環(huán)芳烴的黑麥草作

10、為牧草的安全性同樣沒有得到應有的評價。鑒于這些問題與需求，以及當前黑麥草對土壤中多環(huán)芳烴降解的動態(tài)過程及其生物學機理在國劉世亮等：苯并[a]芘污染土壤的植物根際修復研究初探427按上述方法測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。方法回收率實驗結果表明，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測定的要求。2.2B[a]P處理下黑麥草生物量的動態(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量的動態(tài)變化。與對照比較，1、10、50mgkg1三個B[a]P處理的黑麥草地上部分植物鮮質量在前90d總體上都沒有顯著差異，但黑麥草生長時間到105d時，觀察到高wB[a]P處理（50mgkg1）對黑麥草生長的抑制作用（p0.05）。在整個試驗期間三個B[a]P處理間的黑麥草地上部分植物鮮質量無顯著變化。這說明黑麥草對土壤中多環(huán)芳烴B[a]P的毒性有較強的忍耐性。通常，自然土壤和一般農地中的wB[a]P低于3mgkg

12、1，因而種植黑麥草不會出現(xiàn)B[a]P的毒害。同時，黑麥草生長周期長，生物量大，根系發(fā)達，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濃度的動態(tài)變化如圖2(下頁)所示，隨著時間延長，土壤中的可提取wB[a]P逐漸減少。在3個wB[a]P處理中，可提取量都在45d內降低迅速，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，但對于wB[a]P為10mgkg1處理，土壤中可提取wB[a]P下降明顯，同時在50mgkg1處理中，其值也有減少趨勢。這可能是因為在較低質量分數(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時土壤中的微生物和植物根系沒有受到B[a]P的毒害，進一步參與了對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)律與前人的研究結果非常相似，即土壤中多環(huán)芳烴的降解趨勢為在植物生長的前期（40d）土壤中可提取態(tài)質量分數(shù)降解非常

15、快，隨后是一個緩慢的減少過程[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，還有待進一步探明。不過，從本試驗可提取B[a]P隨時間大幅度減少的事實表明，土壤自身及其與黑麥草植物系統(tǒng)都具有較強的修復多環(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質量分數(shù)處理下根際與非根際土壤中的動力學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量的動態(tài)變化Fig.1ChangesinshootbiomassofryegrassplantsgrowninB[a]PpollutedsoilCK:對照處理；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[