混種模式對土壤中PAHs污染的強(qiáng)化修復(fù)作用

吳云霄

延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000

混種模式對土壤中PAHs污染的強(qiáng)化修復(fù)作用

吳云霄

延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000

以菲、芘為多環(huán)芳烴（PAHs）的代表，選擇多環(huán)芳烴初始濃度在20.05～322.06 mg·kg-1的污染土壤為研究對象，采用溫室盆栽的方法，選用三葉草（Trifolium repens）單種、紫花苜蓿（Medicago sativa）單種和三葉草-紫花苜?；旆N3種模式，通過測定實驗70 d后土壤中PAHs的濃度，研究不同種植模式下植物對PAHs污染的去除效果和修復(fù)機(jī)制。結(jié)果表明，（1）在實驗濃度范圍內(nèi)，在三葉草和紫花苜?；旆N模式下，土壤中PAHs的去除率最高，明顯高于單種模式。在70 d的實驗期間，約有75.47%的菲和68.28%的芘被降解，而單種模式下三葉草和紫花苜蓿對菲的降解率分別為31.79%和64.03%，對芘的降解率分別為27.97%和52.18%。（2）相同污染水平下，莖葉部PAHs的含量低于根部，菲的含量低于芘，混種模式下植物體內(nèi) PAHs的含量低于單種模式下的含量。（3）生物作用對土壤中菲的去除率在三葉草、紫花苜蓿組和混合組中分別為26.69%、58.98%和69.84%，對芘的去除率分別為25.29%、48.98%和65.86%，明顯高于非生物作用。在生物作用中植物-微生物的聯(lián)合效應(yīng)是最主要的，在三葉草組、紫花苜蓿組和混合組中對菲、芘的去除率分別為6.95%、34.85%、42.95%和6.3%、26.78%、38.98%。微生物作用在各種模式下相同，混種模式下，植物作用、植物-微生物聯(lián)合效應(yīng)均高于單種模式。說明借助多物種混合種植模式對改善PAHs污染土壤修復(fù)效果、減少植物體內(nèi)PAHs積累和緩解生態(tài)風(fēng)險具有可行性。

植物修復(fù)；多環(huán)芳烴；混種模式；土壤

多環(huán)芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）是一類廣泛存在于環(huán)境中、由有機(jī)物不完全燃燒或高溫裂解而產(chǎn)生的持久性有機(jī)污染物。PAHs性質(zhì)穩(wěn)定、水溶性差，在土壤中有逐年積累的趨勢（王偉等，2015）。在中國，農(nóng)田土壤PAHs 背景值在10～20 μg·kg-1，部分區(qū)域已達(dá)到102～104μg·kg-1（Li等，2006）。由于其致毒性、致突變性和致癌性（劉魏魏等，2010），嚴(yán)重威脅著土壤的生態(tài)安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人類健康。修復(fù)土壤PAHs污染已成為環(huán)境領(lǐng)域的熱點問題（潘聲旺等，2009）。植物修復(fù)技術(shù)由于其方便、成本低和環(huán)境可承受性，成為一種很有前途的土壤修復(fù)方法（Parrish等，2005；Xu等，2006）。植物修復(fù)主要是通過植物生長加強(qiáng)根際微生物活性或其種群結(jié)構(gòu)來提高土著微生物對污染物的降解率（Binet等，2000；Chen等，2003；Kamath等，2004）。目前對植物修復(fù)土壤中 PAHs的研究較多，但主要研究的是南方的一些植物種類，北方植物種類比較少，但延安當(dāng)?shù)赝寥乐卸喹h(huán)芳烴污染比較嚴(yán)重。本研究選擇當(dāng)?shù)爻Ｒ娗疫m應(yīng)能力強(qiáng)的三葉草（Trifolium repens）和紫花苜蓿（Medicago sativa）兩種植物為研究對象，研究混種模式下植物對土壤中PAHs的修復(fù)作用，評價其修復(fù)效果，為本地區(qū)選擇合理的植物修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以菲（Phe）和芘（Pyr）作為PAHs的代表，購自德國Fluka公司，純度> 97%。

土壤樣品采自延安大學(xué)實驗農(nóng)場0～20 cm的地表深度。土壤類型為堿性黃綿土，pH值為 8.18，有機(jī)質(zhì)含量14.5 mg·kg-1，無PAHs污染史。先風(fēng)干，過3 mm篩，將定量的菲、芘（由污染水平、用土量估算）經(jīng)丙酮單獨溶解后，均勻灑在土樣表層，待丙酮揮發(fā)后，多次攪拌、混勻，制得6個污染水平（表1）。將處理過的土壤裝入盆中（每盆1.5 kg），50%田間持水量下室內(nèi)平衡4 d 后待用。

表1 土壤中PAHs的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Initial contents of PAHs in soils mg·kg-1

植物的種子用 φ=10%的過氧化氫溶液消毒 10 min，于潮濕的珍珠巖中在生長室發(fā)芽生長 1周，然后選擇生長均勻的幼苗移植到實驗盆，實驗時間為70 d。

1.2 實驗設(shè)計

盆栽試驗于 2012年在延安大學(xué)智能溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗周期70 d。潘聲旺等（2008）試驗設(shè)計4個處理、重復(fù)5次。①處理1（CK1）：土樣中加入0.1%NaN3（抑制微生物活性），不種植物；②處理2（CK2）：不種植物，不加NaN3；③處理3（TR3）：種植物（分3個組合：三葉草組(P1)，紫花苜蓿組(P2)以及紫花苜蓿-三葉草混合組(P3)下同），加0.1%NaN3；④處理4（TR4）：種植物，不加NaN3。加標(biāo)土壤種植盆。處理1和處理3在加水的過程中，每隔兩天加一次0.1%的NaN3，確保試驗過程中微生物被滅活。NaN3加入方法為依照既定濃度，與定量蒸餾水配制成相應(yīng)溶液，均勻噴灑在栽培盆的土壤表面。處理盆隨機(jī)并排放在一個小溫室中，每兩天交換一次位置。在溫室中幼苗移栽3～5 d后間苗，三葉草組每盆留下 3株，紫花苜蓿組每盆留下 10株，混合組每盆留3株三葉草和10株紫花苜蓿幼苗，對水分含量定期進(jìn)行檢查和調(diào)整，使其田間持水量大致保持在 50%（稱重補(bǔ)水法）；日光透過率保持在 200～300 μmol·m-2·s-1；白天溫度保持在20～25 ℃，夜間溫度保持在10～15 ℃。由于試驗盆比較大，并且植物生長時間僅 70多天，測定時三葉草和紫花苜蓿還是幼苗，競爭作用甚微，可以忽略不計。在移栽70 d后，對土壤和植物進(jìn)行破壞性取樣，進(jìn)行分析。在分析之前要對土壤和植物組織的水分含量進(jìn)行測定。

1.3 多環(huán)芳烴測定

PAHs測定參考文獻(xiàn)（高彥征等，2005）中的方法。超聲萃取技術(shù)對樣品初步處理后，用高效液相色譜-紫外檢測法測定菲、芘含量。檢測波長菲246 nm，芘235 nm。土壤中菲、芘回收率分別為95.87%、94.36%（N=7, RSD<5.54%）；植物樣中分別為94.12%、92.88%（N=7, RSD<5.47%）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)Excel基礎(chǔ)處理后，在SPSS 12.0中用新復(fù)極差法（Duncan’s Multiple Range Test, DMRT）檢驗。PAHs的去除率（R）為：

式中，C0為土壤中PAHs初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ct為取樣時土壤中殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

表2 不同種植模式對土壤中PAHs的去除率Table 2 Removal rates of different planting patterns on PAHs in soils %

2.1 不同種植模式土壤中PAHs的去除率

2.1.1 單種模式與混種模式去除率的比較

依照去除率計算公式（1），求得處理3和處理4條件下不同種植模式對土壤中PAHs去除率（表2）。結(jié)果顯示：70 d后，隨著土壤中初始濃度的增加，土壤中PAHs的去除量逐漸增加，但去除率逐漸減小。處理方式、污染水平相同的情況下，混種模式對土壤中PAHs的去除率最高，明顯高于單作模式。而單作模式中，紫花苜蓿單作模式高于三葉草單作模式。如在對菲去除中，以處理4為例，在5次重復(fù)中三葉草單作對菲的去除率為 20.92%～42.34%，紫花苜蓿單作對菲的去除率為 56.16%～69.93%，而混作模式對菲的去除率高達(dá) 65.17%～83.54%。在其它處理以及對芘的去除中，也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，說明利用三葉草和紫花苜?；旆N強(qiáng)化修復(fù)土壤中PAHs具有可行性。在處理方式和土壤中PAHs初始濃度相同的條件下土壤中菲的去除效果明顯好于芘，如處理3中，C3操作中，三葉草組、紫花苜蓿組和混種組對菲的去除率分別為7.35%、11.81%和 14.55%，而對芘的去除率則分別為5.64%、9.73%和 12.96%。土壤中芘的殘留濃度高于菲，可能與芘的分子量大、難降解，在土壤中持留性強(qiáng)有關(guān)（Reilley等，1996；Zhu和Gao，2004）。

2.1.2 不同種植模式下植物組織中的PAHs含量

圖1所示，菲、芘在三葉草和紫花苜蓿組織中的累積量在不同模式下不同。單作模式下，隨著初始濃度的增加，菲在三葉草根中的濃度從 2.73 mg·kg-1增加到17.90 mg·kg-1。芘由12.05 mg·kg-1增加到80.88 mg·kg-1。在莖中的累積量，菲在三葉草中的濃度從0.81 mg·kg-1增加到12.06 mg·kg-1，芘由5.49 mg·kg-1增加到38.26 mg·kg-1。在混栽模式下，菲、芘在根部的累積量分別為 1.24～12.09 mg·kg-1和3.99～60.54 mg·kg-1，紫花苜蓿中菲、芘在植物組織中的累積量與三葉草相似。植物組織中菲、芘的含量與土壤中其初始濃度成正相關(guān)，根部的含量明顯高于莖部的含量，植物體內(nèi)菲的含量低于芘。值得注意的是，同等污染水平下，混種模式下植物體內(nèi)菲、芘的含量均低于單種模式下的含量，說明利用混種模式能夠降低植物體內(nèi)菲、芘的含量，從而減小生態(tài)風(fēng)險。

圖1 不同種植模式下植物組織中的PAHsFig. 1 PAHs in plant tissues under different planting patterns

植物體內(nèi)不同部位積累差異可能與植物組織脂肪含量的不均勻性有關(guān)，根部的含量高于莖部，說明根部是PAHs在植物體內(nèi)的主要富集部位，俆圣友等的研究也顯示了類似的結(jié)果（徐圣友等，2006）。在土壤污染水平相同的情況下，植物根莖部芘的含量比菲高，原因可能是因為芘的化合物分子量較高難于降解。已有研究表明，大多數(shù)的親脂性有機(jī)化合物分布在根表皮，因此親脂性有機(jī)化合物從污染土壤中進(jìn)入植物根部的數(shù)量決定于辛醇-水分配系數(shù)，土壤濃度越高親脂性有機(jī)化合物的濃度就越高。

2.2 修復(fù)機(jī)制研究

2.2.1 非生物因素對土壤中PAHs的去除作用

本試驗中，0.1%的NaN3是用來抑制微生物活性，CK1中PAHs的去除主要是非生物因素的作用（包括滲濾和非生物降解），CK2中是非生物因素和微生物降解，TR3中主要是非生物因素和植物作用（包括植物代謝和植物積累），TR4中是植物—微生物系統(tǒng)，PAHs的去除是非生物因素、植物作用、微生物降解和植物微生物聯(lián)系效應(yīng)共同作用。各類因素的貢獻(xiàn)率（即去除因子對PAHs的實際去除量與初始添加量的百分比）可通過各處理中的實驗數(shù)據(jù)可求得（表3），CK1中PAHs的去除率即為非生物因素的貢獻(xiàn)率，CK2與CK1中PAHs的去除率之差即為微生物降解作用的貢獻(xiàn)率，TR3與 CK1中PAHs的去除率之差為植物作用的貢獻(xiàn)率，4種處理結(jié)合起來可求得植物-微生物聯(lián)合效應(yīng)的貢獻(xiàn)率。在PAHs的去除過程中非生物因素包括滲濾和非生物降解，本實驗中所有的盆缽濾液中均沒有測得PAHs，滲濾損失甚微。非生物因素對菲、芘去除過程中的平均貢獻(xiàn)率分別為 5.10%和 2.56%，其對PAHs的去除作用甚微，因此不是PAHs去除的主要因素。

表3 不同因子在去除PAHs過程中的貢獻(xiàn)率Table 3 Contributions of each pathway to PAHs degradation %

2.2.2 生物因素對土壤中PAHs的去除作用

對土壤中PAHs有去除作用的生物因素包括植物作用、微生物作用和植物微生物聯(lián)合效應(yīng)3個方面的作用。表3所示：不同植物對PAHs去除的貢獻(xiàn)率不同，三葉草組中的植物作用以及植物-微生物聯(lián)合效應(yīng)的貢獻(xiàn)率在3種模式中均為最低，混合組的植物作用以及聯(lián)合效應(yīng)的貢獻(xiàn)率均最高。紫花苜蓿組低于混合組但明顯高于三葉草組。植物作用的貢獻(xiàn)率除三葉草單種模式外，紫花苜蓿單種模式和混種模式中植物作用的貢獻(xiàn)率都明顯高于非生物因素的貢獻(xiàn)率。微生物降解的貢獻(xiàn)率在3種模式中相同，明顯高于植物作用的貢獻(xiàn)率和非生物因素的貢獻(xiàn)率。除三葉草單種模式外，聯(lián)合效應(yīng)在3個方面的貢獻(xiàn)率最高，它在三葉草組、紫花苜蓿組和混合組中對去除菲的平均貢獻(xiàn)率分別為：6.95%，34.85%和 42.95%，對去除芘的平均貢獻(xiàn)率分別為6.3%、26.78%和 38.98%。在三葉草組中微生物降解的貢獻(xiàn)率最高。生物因素總的貢獻(xiàn)率在3種模式中都明顯高于非生物因素的貢獻(xiàn)率。三葉草組、紫花苜蓿組和混合組中生物作用對菲、芘去除的平均貢獻(xiàn)率分別為：26.69%、58.98%、69.84%和25.29%、48.98%、65.86%。上述結(jié)果說明土壤中PAHs的去除主要源于生物因素，其中植物的直接作用不太明顯，微生物作用較為明顯，而植物-微生物聯(lián)合效應(yīng)作用最為明顯。并且不同的種植模式中植物-微生物的聯(lián)合效應(yīng)不同，混種模式中聯(lián)合效應(yīng)最高。所以在修復(fù)土壤中PAHs過程中應(yīng)該增加土壤中微生物活性以及利用混種模式。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植物可吸收、累積土壤中的 PAHs，吸收速率與植物自身的生理適應(yīng)性、PAHs生物有效性呈正相關(guān)（潘聲旺等，2008）；在氧化還原酶、水解酶等胞外酶的作用下，部分PAHs轉(zhuǎn)化為能被植物細(xì)胞直接吸收的小分子物質(zhì)（Liliana和Maria，2004），部分以原始狀態(tài)積聚在植物體內(nèi)。本研究表明，土壤-植物系統(tǒng)對土壤中的菲、芘有明顯的去除作用，在三葉草組、紫花苜蓿組和混合組中對菲的去除率分別為31.79%、64.03%和75.47%，對芘的去除率則分別為27.97%、52.18%和72.28%，其中植物直接作用的去除量僅占菲、芘被去除總量的7.15%、10.31%、12.72%和 11.15%、13.42%、16.08%。說明植物直接作用不是土壤-植物系統(tǒng)中菲、芘去除的主要原因。

植物還可通過改變微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)、增加其數(shù)量或提高其活性加快有機(jī)污染物降解（Joner和Leyval，2003；許超和夏北成，2007）。本研究中，CK2、CK1的菲、芘殘留量差異（即微生物降解作用）分別為17.47%、15.88%，表明土壤（土著微生物）對PAHs污染具有一定的自凈能力。

植物釋放的根際分泌物和酶有時能促進(jìn)根際微生物的活性和生物轉(zhuǎn)化作用。植物的存在不僅能增強(qiáng)微生物活性、擴(kuò)大根際微生物區(qū)系的活動范圍（Rugh等，2005），還能改善根際土壤的理化性質(zhì)、提高土壤酶活性，促進(jìn)PAHs去除（王洪等，2011）；植物-微生物間的交相互作用有時還能降解植物或根際微生物單獨作用不能去除的PAHs污染物，聯(lián)合種植時的修復(fù)效果超過單一植物。本研究中，植物-微生物聯(lián)合效應(yīng)在修復(fù)效果較好的紫花苜蓿組、三葉草-紫花苜蓿混種組中去除的菲、芘量分別占其被去除總量的54.43%、57.22%和51.57%、57.14%，其貢獻(xiàn)超過非生物損失、微生物降解、植物直接作用之和；在修復(fù)效果較差的三葉草組中，植物-微生物聯(lián)合效應(yīng)去除的菲、芘量占其去除總量的21.86%、22.63%。說明植物促進(jìn)了土著微生物對菲、芘的降解作用，植物微生物聯(lián)合作用有利于 PAHs污染土壤修復(fù)效果的提高。三葉草、紫花苜蓿聯(lián)合種植時對菲、芘修復(fù)效果分別比二者單獨種植時高出43.26%、60.38%和11.03%、16.29%，強(qiáng)化效應(yīng)明顯。滲濾、非生物性損失、微生物降解對 PAHs去除的貢獻(xiàn)率在各栽培模式下相同，混種模式下對PAHs的強(qiáng)化去除部分主要來源于植物的直接作用、植物-微生物的聯(lián)合作用。但混種條件下植物直接作用對PAHs的去除貢獻(xiàn)率接近與二者單獨種植時去除貢獻(xiàn)的相加效應(yīng)，其去除量僅占被添加菲、芘總量的 9.57%和 10.99%，遠(yuǎn)小于植物-微生物聯(lián)合作用對菲、芘去平均去除量（分別占其總量的42.85%和38.92%)?？梢姡旆N模式下植物-微生物的聯(lián)合作用是植物-微生物系統(tǒng)強(qiáng)化修復(fù)PAHs污染的主要原因。

3.2 結(jié)論

（1）植物修復(fù)在PAHs污染土壤治理中有很大的潛力。在試驗濃度為 20.05～322.06 mg·kg-1范圍內(nèi)，植物促進(jìn)了PAHs的降解。

（2）70 d后，混合栽植模式下土壤中PAHs的濃度比單一栽植模式下小，大約有 75.47%的菲和72.28%的芘被降解，而單一的三葉草模式和紫花苜蓿模式對菲的去除率為31.79%和64.03%，對芘的去除率則分別為27.97%和52.18%。

（3）隨著土壤中PAHs初始濃度的增加，三葉草或紫花苜蓿從土壤中吸收的數(shù)量明顯增加，根莖中PAHs的濃度直線上升，其中莖部低于根部、混種模式低于單種模式、菲低于芘。

（4）混栽模式下，植物微生物聯(lián)合作用對菲和芘的去除率分別為42.85%和38.92%，占菲芘去除總量的57.19%和57.13%。因此，混栽模式可以增強(qiáng)對土壤中PAHs的修復(fù)作用。

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Strengthen Phytoremediation on PAHs in Soils by Combined Plants Cultivation

WU Yunxiao
College of Life Science, Yan’an University, Yan’an 716000, China

Took phenanthrene and pyrene as representative of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The experimental period was 70 days. Pot experiments were conducted to investigate the mechanisms of the removal and remediation efficiencies of PAHs under different planting models using two plant species, white clover (Trifolium repens) and alfalfa (Medicago sativa) in a greenhouse. Phytoremediation of PAHs in soils at initial contents ranging from 20.05 to 322.06 mg·kg-1was investigated under different planting patterns, and enhancement mechanisms were analyzed. Results showed that, 1) In the experimental concentration range,the dissipation rate of PAHs in soils growing multispecies was the highest, and was significantly higher than that of monoculture. At the 70d experiment, about 75.47% of Phe and 68.28% of Pyr was removed from the soils under mixed cropping; while only 31.79% and 64.03% of Phe and 27.97% and 52.18% of Pyr were removed under single white clover and alfalfa cropping, respectively. 2) Under the same treatment conditions, the concentrations of PAHs in root or shoot were lower in mixed cropping than that in monoculture, and in the shoot lower than in the root, and phenanthrene content was lower than that of pyr. And 3) the removal rates of phe which was removed by biological effect in clover, alfalfa and mixed groups were 26.69%, 58.98% and 69.84% respectively, the pyrene removal rates were 25.29%, 48.98% and 65.86%, significantly higher than that of non-biological effect. The plant-microbial interaction was the most important of all, the rates of phenanthrene and pyrene in clover, alfalfa group group and mixed group were 6.95%, 34.85%, 42.95% and 6.3%, 26.78%, 38.98%. Effect of microbial indifferent modes was the same. Effect of plants and plant-microbial interaction were higher in mixed mode than that of the single mode. Results from this study suggested a feasibility of the establishment of multispecies phytoremediation to improve the efficiency of bioaugmentation in decontaminating PAHs contaminated soils, decreasing crop accumulations to PAHs and reducing risks associated with PAHs.

phytoremediation; polycyclic aromatic hydrocarbons; mixed cropping mode; soil

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.023

X171.5

A

1674-5906（2015）05-0873-06

吳云霄. 混種模式對土壤中PAHs污染的強(qiáng)化修復(fù)作用[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(5): 873-878.

WU Yunxiao. Strengthen Phytoremediation on PAHs in Soils by Combined Plants Cultivation [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 873-878.

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項項目（201004064）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（2013JK0710）

吳云霄（1980年生），女，講師，碩士，主要從事污染生態(tài)學(xué)和園林生態(tài)學(xué)的教學(xué)和研究。E-mail:wuyunxiao110@163.com

2014-10-15