作物生長對土壤苯并[a]蒽(BaA)污染的響應(yīng)

楊蘭芳，祁士華，李海波，王向琴，李杰，李軍

(1. 湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

多環(huán)芳烴(PAHs)是指兩個或兩個以上的苯環(huán)以稠環(huán)和非稠環(huán)形式相連接的、具有強(qiáng)烈的毒性-致癌、致畸變和致突變性的化合物[1].其來源廣泛,在大氣、水體和土壤等環(huán)境中普遍存在，對環(huán)境的危害性極大，因此多環(huán)芳烴在環(huán)境中的行為正被研究者們廣泛關(guān)注.多環(huán)芳烴水溶性低而疏水性強(qiáng)，會被強(qiáng)烈地分配到非水相中，吸附于顆粒物上，土壤便成為其環(huán)境歸宿之一[1]，據(jù)估計(jì)在英國有90%以上多環(huán)芳烴儲存在土壤中[2].被多環(huán)芳烴污染的土壤在城市周圍、污水排放和灌溉區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通要道附近等大量存在，因此多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)問題值得重視.生物修復(fù)技術(shù)是一種價廉便捷的修復(fù)技術(shù)，其利用前景非常廣闊.植物生長能夠促進(jìn)土壤多環(huán)芳烴降解，如在1、10、50 mg/kg苯并[a]芘處理濃度下，有黑麥草生長土壤的降解率分別為90.3%、87.5%、78.6%，沒有黑麥草生長土壤的降解率則為79.3%、66.4%、55.6%[3].但當(dāng)前有關(guān)植物與土壤多環(huán)芳烴關(guān)系的研究主要集中在低環(huán)和非農(nóng)作物，高環(huán)多環(huán)芳烴以及多環(huán)芳烴與農(nóng)作物生長關(guān)系的研究較少.高環(huán)多環(huán)芳烴的毒性比低環(huán)更強(qiáng)，因此研究作物生長與高環(huán)多環(huán)芳烴污染之間的相互關(guān)系，更有利于環(huán)境安全和人類健康.苯并蒽(BaA)是一種4環(huán)多環(huán)芳烴，被國際癌癥研究中心認(rèn)為是很可能致癌的物質(zhì)[4]，有關(guān)其環(huán)境行為和污染修復(fù)方面的研究少見報道.本試驗(yàn)通過盆栽大豆和小麥，初步研究了作物生長與土壤BaA污染的相互影響，可以為高環(huán)多環(huán)芳烴污染對植物生長的影響和污染土壤的生物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1材料盆栽試驗(yàn)土壤為長江沖積母質(zhì)發(fā)育的沖積土，采自湖北大學(xué)校園內(nèi)，其基本理化性質(zhì)如表1.

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

所用多環(huán)芳烴苯并[a]蒽(BaA)購自國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司，為Fluke公司生產(chǎn).

所用作物有大豆(GlycinemaxMerr)和小麥(TriticumaestivumL)，大豆和小麥種子購于武漢市大東門種子市場.

1.2盆栽試驗(yàn)所用盆缽為高18 cm、體積為3.2 L圓臺形陶瓷缽.采用0、1、10、50 mg/kg 4種BaA處理水平，設(shè)置裸土、小麥、大豆3種處理方式，每處理重復(fù)3次，每盆裝土2.0 kg.將BaA配成0、0.2、2、10 mg/mL的丙酮溶液，播種前按處理每盆加入相應(yīng)濃度的BaA溶液10 mL，待丙酮揮發(fā)后，再加入相應(yīng)的底肥一起拌均勻后裝盆播種.土壤含水量維持在持水量的70%左右.每kg土施入150 mg N、75 mg P、150 mg K作為小麥的底肥，而大豆和裸土則每kg土施用N、P、K分別為75、75、150 mg.N、P、K分別用硫酸銨、磷酸二氫鉀和硫酸鉀為肥源.2006年3月13日播種，管理至種子成熟7月2日收獲，生長時間為110 d.

1.3樣品制備

1.3.1 土壤樣品制備 盆栽試驗(yàn)結(jié)束后，將植物根系剔除后，將土壤混合均勻后按四分法取約200 g土壤裝入紙袋帶回實(shí)驗(yàn)室，平鋪在干凈的塑料盤在陰涼處吹干，用有機(jī)玻璃摩擦綢布產(chǎn)生靜電吸附植物殘體，并磨細(xì)過1 mm篩，裝入自封袋或塑料瓶中密封，低溫保存?zhèn)溆?

1.3.2 植物樣品制備 大豆和小麥按根系、莖桿、籽粒分開.莖桿和根系帶回室內(nèi)洗干凈后，用剪刀剪成小于1 cm的小段，裝入紙袋中在60 ℃烘箱中烘干，干燥器中冷卻后稱重，籽粒直接裝入紙袋中在60 ℃烘干，于干燥器中冷卻后稱重.

1.4分析方法

1.4.1 土壤基本理化性質(zhì)分析用常規(guī)法[5]即土壤有機(jī)質(zhì)用硫酸-重鉻酸鉀外加熱容量法，堿解氮用堿解擴(kuò)散法，速效磷用鉬藍(lán)比色法，速效鉀用火焰光度法，土壤pH用精密pH計(jì)電位法，土壤陽離子交換量(CEC)用醋酸銨法，土壤質(zhì)地用吸管法.

1.4.2 土壤多環(huán)芳烴的測定用GC-MS法[6]稱取過1 mm篩的土壤10 g，用濾紙包好，放入索氏提取器中加入二氯甲烷100 mL在 40 ℃水浴中提取24 h，然后轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮，加入正己烷后過硅膠柱，再用2∶3的二氯甲烷與正己烷的混合液洗脫，洗脫液在轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮，用氮?dú)獯抵?.2 mL后保存與冰柜中，然后上機(jī)，經(jīng)過氣相色譜儀分離，質(zhì)譜檢測器定量.

1.5數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPPS10.0軟件中的One-Way ANOVA進(jìn)行方差分析和多種比較，顯著水平為0.05.

2 結(jié)果

2.1土壤BaA污染對作物生長的影響表2表明，土壤BaA污染對作物生物量積累的影響因作物而異.對于大豆，不同BaA水平下的總生物量和籽粒重量與對照(不加BaA)的差異均不顯著，但加BaA 1.0 mg/kg的籽粒顯著高于加BaA 50 mg/kg的處理，其余各處理之間的籽粒產(chǎn)量無顯著差異；加BaA 10.0 mg/kg總生物量顯著高于加BaA 50.0 mg/kg，其余各處理的總生物量之間無顯著差異.對于小麥，加BaA 50.0 mg/kg的籽粒產(chǎn)量和總生物量均顯著低于對照和其余處理，其籽粒和總生物量分別比對照低36.6%和23.2%，而其余處理與對照之間無顯著差異.

表2 不同土壤BaA處理下大豆和小麥的生物量 g

同一欄中不同字母表示顯著水平達(dá)到0.05，下同.

2.2作物生長對BaA去除的影響表3可見，作物收獲后，裸土、種小麥土和種大豆土的BaA殘留濃度均隨土壤BaA加入量的增加而增加，土壤BaA殘留濃度與土壤BaA加入量之間的線性相關(guān)系數(shù)在裸土、小麥土和大豆土分別為0.988 4、0.988 5、0.988 2，均超過0.05的顯著水平(0.950)，即土壤BaA含量與BaA的加入量呈顯著的線性相關(guān).在不加BaA的處理下，裸土、小麥土和大豆土三者之間的土壤BaA含量無顯著差異，但在不同土壤BaA加入量下，作物收獲后土壤BaA含量呈裸土>小麥土>大豆土的規(guī)律，在土壤加入BaA 1.0 mg/kg處理下，裸土與小麥土無顯著差異，而大豆土則顯著低于小麥土和裸土，在土壤加入BaA10.0和50.0 mg/kg處理下，裸土、小麥土和大豆土之間的差異均極顯著.同裸土相比，在加入BaA1.0、10.0、50.0 mg/kg下，小麥土的BaA殘留量比裸土分別低14.2%、19.4%、20.8%，大豆土的BaA殘留量則比裸土分別低32.6%、36.4%、34.2%.

表3 作物收獲后土壤BaA的含量 μg/kg

圖1 作物生長對土壤BaA去除率的影響

3 討論

3.1土壤多環(huán)芳烴污染對作物生長的影響小麥在50 mg/kg的處理下其籽粒產(chǎn)量和總生物量均顯著低于對照和其余處理，表明在此濃度下小麥的生長受到了顯著的抑制.本試驗(yàn)結(jié)果與周立祥等[7]研究菲、芘、蒽對赤潮微藻,邢維芹等[8]研究奈和菲對冬小麥,鄭威等[9]研究柴油處理對欒樹幼苗、Smith等[10]研究多環(huán)芳烴、煤焦油、受多環(huán)芳烴嚴(yán)重污染的煉焦廠土壤對草類,洪有為等[11]研究菲和螢蒽對秋茄的影響結(jié)果一致.本試驗(yàn)中大豆生長受BaA的影響不顯著，證明在相同的條件下，大豆抗BaA污染的能力比小麥強(qiáng)，也說明多環(huán)芳烴對植物生長的影響隨作物種類和多環(huán)芳烴含量的不同而異.

3.2植物生長對土壤多環(huán)芳烴去除的影響植物可以通過揮發(fā)、固定、轉(zhuǎn)化、積累、泵取和根際作用等去除土壤污染物[12]，用燕麥、羽扇豆、油菜、蒔蘿、胡椒、蘿卜、金錢松、紅松、白松等9種植物進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)的結(jié)果表明，種植物土壤芘的去除率顯著高于不種植物的土壤，證明所有植物都促進(jìn)了土壤芘的去除[13].本試驗(yàn)結(jié)果表明小麥和大豆生長顯著促進(jìn)了土壤BaA的去除，即作物生長有助于去除土壤BaA污染.植物對土壤污染物降解的促進(jìn)作用主要?dú)w因于植物根際的作用，根際同非根際相比，有很多差別，如根際養(yǎng)分有效性高、根際微生物活性高、根際pH和Eh不同于非根際、根際有根系分泌物存在等[14]，這些導(dǎo)致根際的理化和生物學(xué)性質(zhì)不同于非根際.有關(guān)植物生長對土壤多環(huán)芳烴去除影響方面的研究很多，如種植苜蓿、酥油草、蘇丹草和柳枝稷可使土壤中蒽和芘的去除率比無植物土壤高30%～44%[15]，同時用14C標(biāo)記芘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)芘的最高礦化率出現(xiàn)在用植物根系和微生物分泌有機(jī)酸灌溉的處理，而消毒土壤的礦化率最小[16]，這說明土壤多環(huán)芳烴的降解是微生物過程，植物的促進(jìn)作用是由于根系分泌物增強(qiáng)了土壤微生物活力.植物根系土柱試驗(yàn)表明，玉米根系分泌物能顯著增加14C標(biāo)記芘的降解，其增加程度相當(dāng)于種植玉米的盆栽試驗(yàn)，消毒土壤中芘降解幾乎為零[17]，這說明玉米根際分泌物是通過增加土壤微生物活性來促進(jìn)芘的降解.土壤摻入1 g/kg的多環(huán)芳烴直接種植和存化6個月后種植黑麥草的試驗(yàn)表明，無論是存化還是沒有存化處理，根際多環(huán)芳烴的含量顯著低于非根際，根際微生物的數(shù)量也是根際高于非根際[18].

植物生長對土壤多環(huán)芳烴降解實(shí)質(zhì)上是植物和微生物的聯(lián)合作用，其基本原理有：一是植物根區(qū)的菌根真菌與植物共生，有獨(dú)特酶途徑，用以降解不能被細(xì)菌單獨(dú)轉(zhuǎn)化的有機(jī)物，二是植物根區(qū)分泌物刺激了細(xì)菌的轉(zhuǎn)化作用，三是植物還可以為微生物提供生存場所并可轉(zhuǎn)移氧化，使根區(qū)好氧化作用能夠正常進(jìn)行[2].利用酥油草、苜蓿、蘇丹草和三葉草研究他們對石油污染土壤中多環(huán)芳烴的降解，發(fā)現(xiàn)在種植植物下，14C標(biāo)記的蒽和芘的降解率都有顯著提高，其原因一方面是根際作用增加了微生物降解菌的數(shù)量，另一方面是植物分泌物為微生物共代謝提供了共代謝底物[19].黑麥草的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 離根系越近，異養(yǎng)菌和多環(huán)芳烴降解菌數(shù)量越高，在距離根0～3、3～6、6～9 mm的土層中多環(huán)芳烴的降解率依次為86%、48%和36%，而沒有植物土壤中各層的降解率無差異[20]，有酥油草生長下的土壤苯并[a]蒽殘留濃度顯著低于無植物的，其微生物活性顯著高于無植物的土壤[21].在1、10、100 mg/kg 3種濃度處理下，紫花苜蓿在接種菌根菌下對苯并[a]芘分別為86.2%、86.6%、57.0%，不接種菌根菌時為75.9%、77.7%、53.4%，而沒有植物下的降解率分別為54.9%、52.6%、34.1%[22].說明根際高的降解率是由于根際微生物活性高所致.一般認(rèn)為微生物對多環(huán)芳烴代謝有兩方面，一是以多環(huán)芳烴為唯一碳源和能源，二是與其他有機(jī)物共代謝，低環(huán)多環(huán)芳烴以第一種方式為主，而高環(huán)多環(huán)芳烴的代謝以共代謝為主[23].桑橙、雜交柳和心形木的根提取物和桑樹根的分泌物在24 h內(nèi)增加了15%～20%苯并[a]芘的降解，這與加入琥珀酸培養(yǎng)效果相當(dāng)[24]，表明植物根際能夠提供降解多環(huán)芳烴的共代謝底物.

本試驗(yàn)中小麥和大豆對苯并[a]蒽的去除率為87%～98%，高濃度下的去除率低于低濃度下的去除率.有關(guān)研究表明，多環(huán)芳烴在土壤中的降解率變化較大.如在5、50、500 mg/kg菲處理下，黑麥草在60 d內(nèi)對菲的降解率可達(dá)93%～95%[25]；用苜蓿、柳枝稷、藍(lán)徑草培養(yǎng)6個月后，可使總多環(huán)芳烴減少57%[26]；在1、10、50 mg/kg苯并[a]芘處理濃度下，有黑麥草生長土壤的降解率分別為90.3%、87.5%、78.6%，沒有黑麥草生長土壤的降解率則為79.3%、66.4%、55.6%[4]，種植紫花苜?？墒?3種多環(huán)芳烴的總量減少86%[28].這說明多環(huán)芳烴在土壤中的降解率與多環(huán)芳烴類型、植物種類以及環(huán)境條件等有關(guān)，同這些結(jié)果相比，本試驗(yàn)的結(jié)果也是在合理的范圍內(nèi).

3.3植物類型對降解多環(huán)芳烴的影響本試驗(yàn)中，相同條件下，種植大豆后的土壤BaA殘留濃度比種植小麥后土壤BaA的殘留濃度低約17%～21%，說明大豆同小麥相比更能促進(jìn)土壤BaA的降解，也表明植物類型不同，對土壤多環(huán)芳烴降解的影響是不同的.Spriggset等[28]研究表明，對苊、蒽、熒蒽、萘和菲的降解率呈黑柳>雜交白楊>岑樹的規(guī)律.蘆葦和苜蓿都促進(jìn)了土壤中瀝青和多環(huán)芳烴的降解，多環(huán)芳烴的降解率在苜蓿土、蘆葦土和無植物土中分別為74.5%、68.7%和44.5%[29].大豆對BaA的去除率高于小麥，其原因一方面可能是大豆根系分泌物不同于小麥，因而對微生物的影響也不同.大豆作為固氮植物，其根系分泌物中的含氮物質(zhì)比非豆類植物小麥豐富，豐富的氮素有益于土壤微生物活動.在50 mg/kg BaA處理下，大豆生長同對照相比沒有受到影響，而小麥在此處理下的籽粒產(chǎn)量和總生物量均顯著低于對照，表明小麥生長已經(jīng)受到了嚴(yán)重影響，植物生長受到影響，必然會降低植物根系的活性，也會影響到土壤BaA的降解.這也證明不同植物抗多環(huán)芳烴污染的能力不同.本試驗(yàn)結(jié)果證明大豆抗多環(huán)芳烴污染的能力比小麥強(qiáng).另一方面有可能是根瘤菌的影響.將黑麥草和白三葉草混種，接種根瘤菌的處理中多環(huán)芳烴的降解率和多環(huán)芳烴降解菌的數(shù)量高于沒有接種根瘤菌的處理[30]，證明根瘤菌可以促進(jìn)土壤多環(huán)芳烴的降解.因此種植豆類植物有利于增強(qiáng)土壤去除多環(huán)芳烴的能力.

4 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)的BaA處理水平對大豆生長無顯著影響，而50 mg/kg的處理顯著降低了小麥的籽粒產(chǎn)量和總生物量，說明土壤BaA污染對植物生長的影響受植物類型和污染水平影響，大豆抗BaA污染的能力比小麥強(qiáng).

(2)作物收獲后，土壤BaA殘留濃度呈現(xiàn)為裸土>小麥土>大豆土，土壤BaA的去除率呈大豆土>小麥土>裸土，說明作物生長顯著減少土壤BaA的殘留，促進(jìn)了土壤BaA的去除，大豆對土壤BaA的去除能力大于小麥.

(3)無論種植物土壤還是裸土，多環(huán)芳烴的殘留量均與加入量呈顯著的線性相關(guān)，而且高濃度下的去除率顯著低于低濃度下的去除率.

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