血粉刺激修復(fù)DDTs污染農(nóng)田土壤的現(xiàn)場實驗

王 輝,王曉旭,孫麗娜,吳 昊,羅 慶,榮璐閣

(沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室,遼寧沈陽 110044)

血粉刺激修復(fù)DDTs污染農(nóng)田土壤的現(xiàn)場實驗

王 輝,王曉旭,孫麗娜*,吳 昊,羅 慶,榮璐閣

(沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室,遼寧沈陽 110044)

通過田間現(xiàn)場實驗,研究了血粉激活土著微生物修復(fù)DDTs污染老化農(nóng)田土壤的修復(fù)效果以及不同條件對血粉修復(fù)效果的影響,分析了DDTs 4種主要的同分異構(gòu)體/同系物的降解特征.結(jié)果表明,添加血粉刺激土著微生物原位修復(fù)DDTs污染老化農(nóng)田是切實可行的.與葡萄糖相比,血粉可以長期、有效的提高土壤過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性,進而刺激土著微生物更好的修復(fù)DDTs污染土壤.添加血粉輔以定期翻土后,DDTs的5個月降解效率提高到43.41%,同時PP’-DDE去除效果較好,環(huán)境風(fēng)險得到顯著降低.結(jié)果表明添加血粉輔以定期翻土在DDTs污染農(nóng)田土壤原位修復(fù)中具有較大的應(yīng)用前景.

血粉；滴滴涕；現(xiàn)場試驗；老化污染農(nóng)田土壤；生物刺激

由于滴滴涕(DDTs)具有難降解性、生物富集性,并對人類和其他生物具有潛在的毒性[1-2],所以DDTs污染倍受人們的關(guān)注[3].DDTs作為斯德哥爾摩大會首批提出的12種禁止使用的持久性有機污染物之一,1983年開始禁止作為農(nóng)藥使用,但直到2003年前仍被作為原材料大量生產(chǎn)[4-6].同時由于可以隨著環(huán)境介質(zhì)的變遷進行長距離的遷移[7],DDTs在各國的土壤中檢出率很高[8-10].在沈陽市城郊土壤中DDTs污染的現(xiàn)象也是普遍存在的.通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)沈陽市細河沿岸表層土壤中DDTs 濃度范圍分別為9.06～111.6μg/ kg,平均濃度為37.08μg/kg[11].通過對沈陽郊區(qū)21個表層土壤樣品中OC Ps的含量進行測定,在18個點位檢出DDTs,存在一定的生態(tài)風(fēng)險[12].雖然DDTs污染濃度相對不高,但DDTs污染是沈陽市城郊農(nóng)田土壤普遍面臨的一個生態(tài)環(huán)境問題,且DDTs具有較高的富集系數(shù),對周邊居民存在潛在的風(fēng)險,因此急需對DDTs污染農(nóng)田土壤進行修復(fù)研究.對于DDTs污染修復(fù)的研究國內(nèi)外開展的較早,但相關(guān)研究多在實驗室進行,與實際修復(fù)應(yīng)用存在一定的差異,研究結(jié)果很難實際應(yīng)用到修復(fù)工程中,對實際修復(fù)工程參考價值有限.同時農(nóng)田土壤污染具有污染面積大、污染物濃度相對較低等特點,因此較適合使用原位刺激法進行修復(fù).血粉作為一種非常規(guī)動物源性飼料,其粗蛋白含量可達80%～90%,高于魚粉和肉粉.血粉中賴氨酸和亮氨酸,以及纈氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、色氨酸的含量都很豐富,這些物質(zhì)可以刺激土壤中微生物的增殖,進而促進污染物的降解.血粉作為一種微生物刺激物在美國已經(jīng)開始用于異位處理八氯莰烯和DDTs的POPs污染土壤的生物修復(fù),并取得了良好的修復(fù)效果[13].同時由于血粉可作為動物飼料無毒害作用,可以在污染農(nóng)田土壤修復(fù)中作為一種微生物刺激物使用.

因此本研究選擇原位刺激法,探討使用血粉作為一種生物刺激添加物進行DDTs污染農(nóng)田土壤原位修復(fù)的可能性.本研究在田間開展血粉刺激土著微生物修復(fù)DDTs污染試驗,并對調(diào)整CNP比和定期翻土對于添加血粉修復(fù)效果和DDTs的同分異構(gòu)體/同系物的降解影響進行研究,為促進我國農(nóng)田土壤有機污染的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 材料和方法

1.1 試驗材料和儀器

實驗材料:葡萄糖購置于天津博迪化工股份有限公司;血粉購置于貴州金萬和農(nóng)業(yè)科技有限公司;分析純正己烷和丙酮購置于天津市富宇精細化工有限公司;色譜純正己烷購置于山東禹王實業(yè)有限公司化工分公司;DDTs標樣(p,p’-DDE, p,p’-DDD,o,p’-DDT, p,p’-DDT)購置于百靈威科技有限公司.

實驗儀器:加速溶劑萃取儀ASE300,購置于戴安中國有限公司;氣相色譜CP-3800,購置于美國VARIAN INC.

1.2 修復(fù)現(xiàn)場與試驗設(shè)計

現(xiàn)場試驗在沈陽市沈北新區(qū)前進農(nóng)場D3號大棚內(nèi)開展,地理坐標為42°05′02.62″N, 123°31′42.79″E.在實驗開始前,使用農(nóng)機對土壤耕作層(0～20cm)進行翻土,使修復(fù)區(qū)域土壤混合均勻.把經(jīng)平整混勻后的修復(fù)場地劃分為1m×1m的地塊,以便后期進行不同的實驗操作.經(jīng)測定土壤有機質(zhì)含量為5.437%,陽離子交換量為13.09cmol/kg.使用Mastersizer 2000激光粒度儀對土壤粒徑分布進行測定,其粘粒、粉粒和砂粒所占比例分別為 26.11%、72.82%、1.07%,對照國際制土壤質(zhì)地分級標準,其土壤類型為粉砂質(zhì)粘土,其pH值為6.87～7.17.供試土壤中DDTs的含量為47.94μg/kg.

為確保實驗數(shù)據(jù)的準確性和可信性,每個實驗操作設(shè)置3個平行樣,本研究中所有結(jié)果均為3個平行樣的算術(shù)平均值.在本修復(fù)試驗中共設(shè)計以下3組試驗:(1)不同添加物刺激土著微生物修復(fù)DDTs試驗:分別以5g血粉(X 5)、5g葡萄糖(T5)為添加物,添加到土壤耕作層中混合均勻,用于激活土著微生物活性,強化其修復(fù)土壤中的DDTs的能力,同時設(shè)置空白對照組(CK)研究血粉作為添加物對土壤中DDTs降解效果的影響.(2)調(diào)整碳氮磷比和定期翻土對土著微生物修復(fù)DDTs的影響:在添加5g血粉的基礎(chǔ)上,以磷酸鈉作為P源,硫酸銨作為N源添加到土壤耕作層中混合均勻,調(diào)整土壤C:N:P為100:15:1,作為調(diào)整C:N:P比組(X5NP),研究調(diào)整C:N:P比對于血粉刺激土著微生物修復(fù)DDTs效率的影響;在添加5g血粉的基礎(chǔ)上,每周對土壤耕作層進行翻土,研究定期翻土(X5F)對于血粉刺激土著微生物修復(fù)DDTs效率的影響.(3)不同條件下DDTs同分異構(gòu)體/同系物的降解特征研究:對比空白對照組(CK)、調(diào)整C:N:P比(X5NP)、定期翻土(X5F)中DDTs主要的同分異構(gòu)體/同系物(p,p’-DDE, p,p’-DDD,o,p’-DDT, p,p’-DDT)的降解情況.

對每塊實驗場地采用對角線采樣法進行土壤樣品的采集,采樣深度為耕作層.分別對各地塊與初始時間、處理1個月、3個月、5個月后采集土壤樣品,土壤樣品風(fēng)干后去除植物殘渣和石塊等雜物,經(jīng)粉碎研磨后過60目篩待測.

1.3 樣品的測定

精確稱取5.00g風(fēng)干粉碎并過60目篩的土壤樣品,使用加速溶劑萃取儀(ASE300)進行萃取,萃取液為1:1(V:V)的正己烷和丙酮的混合液[14].萃取后的溶液參照《土壤中六六六和滴滴涕測定的氣相色譜法(GB/T 14550-2003)》[15]使用濃硫酸磺化法對萃取液進行凈化,然后使用氮吹法使樣品近干后,用色譜純正己烷定容到1mL后轉(zhuǎn)移到氣相進樣瓶中待測.

使用氣相色譜儀對土壤中DDTs含量進行測定,氣相色譜分析條件:色譜柱為CP-sill 8CB型石英毛細管柱(30m×0.32mm×0.25um);色譜柱升溫程序:初始溫度120℃并保持1min,以25℃/min升至230℃,再以3℃/min升至255℃,最后以20℃/min升至280℃保持5min,進樣口溫度250℃,檢測器溫度300℃.載氣、輔助氣均為氮氣,純度為99.99%,載氣流速為0.6mL/min(恒流).進樣方式:脈沖不分流進樣,脈沖壓力為276kPa、保持0.75min,進樣量1uL;尾吹30mL/min.以保留時間定性,外標法定量.

樣品在測試過程中進行空白樣品和基質(zhì)加標回收率測定,方法回收率為89.2%～107.1%.在測試過程中隨機抽取樣品進行重復(fù)測試,當(dāng)重復(fù)測試誤差大于10%時,需對設(shè)備進行調(diào)試和校正.

1.4 土壤酶活性的測定

為了研究不同添加物對土壤中微生物活性的影響,土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后測定其中的過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性,每個樣品設(shè)置3個平行樣[16].過氧化氫酶使用KMnO4滴定法[17].將3g土樣加入40mL蒸餾水后,再加入5mL H2O2(1%)25℃下反應(yīng)20min,然后加入5mL 3mol/L H2SO4用以固定未分解的H2O2[18],最后用0.02mol/L KMnO4標準溶液進行滴定[16,19],過氧化氫酶活性用消耗的KMnO4標準溶液體積表示.轉(zhuǎn)化酶活性使用分光光度法測定[17].首先把0.2mL甲苯加入到3g土樣中在25℃下反應(yīng)15min,然后加入15mL糖溶液(18%)和5mL磷酸-檸檬酸緩沖液(pH5.5) ,在30℃下反應(yīng)24h,過濾待測[18].在50mL比色管中移入1mL濾液后添加3mL3,5-二硝基水楊酸后在水浴鍋中加熱5min,冷卻后使用分光光度計(CARY50,美國VARIAN)在波長508nm下進行測定.

2 結(jié)果和討論

2.1 添加營養(yǎng)物對土著微生物修復(fù)DDTs的影響

微生物分布廣泛、代謝類型豐富、適應(yīng)突變能力強,任何存在污染的地方都有相應(yīng)降解作用強弱不一的降解微生物[20].大量研究者也分別從土壤中分離出了DDTs降解微生物,如:銅綠假單胞菌的DDTs降解菌DH-7[21]、白腐真菌Phlebia lindtneriGB1027[22]、產(chǎn)堿菌屬的DDT高效降解細菌KK[20]、短波單胞菌屬的細菌W-1[23],以及共代謝降解DDT的Pseudomonassp.菌[24]和ITRC-4[25].這些研究表明土壤中廣泛存在DDT降解微生物.在本研究中,對照組(CK)、添加血粉組(X5)、添加葡萄糖組(T5)修復(fù)修復(fù)1個月、3個月、5個月后土壤樣品中DDTs的降解率見圖1.與CK相比較,X5和T5組土壤中DDTs降解率顯著提高,這證明了土壤中含有可以降解DDTs的微生物,添加營養(yǎng)物刺激土著微生物原位修復(fù)DDTs污染是切實可行的.

修復(fù)1個月后T5組平均降解率最高,而從第1個月到第5個月T5組降解率增長幅度較小,僅增長了1.76%,而X5組降解率同期增長了12.08%,修復(fù)3個月和5個月后,X5組DDTs降解率明顯高于T5組.葡萄糖是一種可以被微生物快速利用的營養(yǎng)物質(zhì),添加到土壤中會刺激土著微生物較快的大量增加,而大量增加的微生物數(shù)量使得土壤中DDTs的降解率顯著增加,因此修復(fù)1個月后T5組土壤中DDTs的降解率最高.但葡萄糖的溶解度較高,在修復(fù)過程中會由于灌溉等原因大量流失,進而導(dǎo)致土壤中微生物由于營養(yǎng)物質(zhì)缺乏而數(shù)量減少,因而第1個月到第5個月T5組降解率增長幅度較小,降解率增長與CK組接近.而血粉為顆粒狀,在水中溶解性差,可以較好的吸附到土壤顆粒中,不易隨土壤溶液所流失,能夠較穩(wěn)定的促進土壤中微生物的生長.這可能是造成X5組土壤中DDTs的濃度持續(xù)降低,修復(fù)3個月和5個月后,X5組DDTs降解率明顯高于T5組的重要原因.

圖1 添加不同添加物修復(fù)土壤中DDTs的降解率Fig.1 The degradation rate of DDTs in different conditions

圖2 添加不同添加物后土壤酶活性Fig.2 The soil enzyme activities in different conditions

為了進一步分析不同添加物對土壤中DDTs降解差異的原因,以土壤過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性為代表對土壤中微生物活性進行了研究,結(jié)果見圖2.從圖2中可以看出,添加血粉和葡萄糖后,土壤過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性均有顯著提高,土壤微生物活性得到顯著提升.土壤過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性在一個月達到最大值,然后開始降低,但X5組酶活性的降低速度明顯低于T5組,即與葡萄糖相比較,血粉能夠更長效的刺激土著微生物提高其活性,更有利于土著微生物修復(fù)DDTs污染土壤.

綜上所述,添加血粉可以有效的提高土著微生物活性,刺激土著微生物降解土壤中的DDTs,其修復(fù)效果優(yōu)于添加葡萄糖的降解效果.

2.2 不同條件對血粉原位刺激修復(fù)土壤中DDTs的影響

圖3 不同條件下血粉原位刺激修復(fù)后土壤中DDTs濃度Fig.3 The concentration of DDTs in the soil after remediation using blood meal in different conditions

N、P是微生物生長的必須元素,對微生物的生長情況和微生物活性具有較大的影響,而定期翻土能夠提高土壤中氧含量,有利于好氧微生物的生存,同時由于修復(fù)實驗是在大棚中進行,溫度相對穩(wěn)定,因此在研究不同條件對血粉原位刺激修復(fù)土壤中DDTs的影響中主要考察了調(diào)整C:N:P比和定期翻土的影響.調(diào)整C:N:P比組(X5NP)、定期翻土(X5F)組和添加血粉組(X5)修復(fù)后土壤中DDTs殘留濃度見圖3.X5、X5NP、X5F組處理后,土壤中DDTs的濃度均有所下降,5個月后土壤中殘留量分別為(32.51±3.44)、(33.12±2.97)和(27.13±2.72)μg/kg,平均降解率分別為32.18%、30.91%、43.41%.處理1個月、3個月、5個月后,土壤中DDTs濃度在X5F組濃度均最低,X5NP和X5組濃度相差較小,即在定期翻土處理中DDTs的降解效率最高.綜上所述,定期翻土起到土壤通氣的作用,有利于土壤中空氣流通,而空氣中的氧氣可以作為污染物氧化分解的最終電子受體[26],同時土壤微生物活性得到顯著提高,為土著微生物在好氧狀態(tài)下分解DDTs創(chuàng)造了有利環(huán)境,這在一定程度上對于DDTs的微生物降解起到了促進作用.

為確定調(diào)整C:N:P比或定期翻土對于血粉刺激土著微生物修復(fù)DDTs效率是否存在顯著影響,將調(diào)整C:N:P比、定期翻土條件下血粉刺激土著微生物修復(fù)5個月后土壤中DDTs濃度與對照組進行成對的T檢驗,T檢驗結(jié)果見表1.在成對的T檢驗中,X5NP-X5之間的Sig值大于0.05,說明X5NP和X5組修復(fù)后土壤中DDTs濃度無顯著差異,即調(diào)整C:N:P比并沒有顯著的提高土著微生物修復(fù)DDTs的效率; X5F—X5之間的Sig值小于0.05,說明X5F和X5組修復(fù)后土壤中DDTs濃度差異顯著,同時X5F處理后土壤中DDTs濃度較低,即定期翻土可以顯著提高血粉刺激土著微生物修復(fù)土壤中DDTs的效率;X5F—X5NP之間的Sig值小于0.05,說明X5F和X5NP組修復(fù)后土壤中DDTs濃度差異顯著,同時X5F處理后土壤中DDTs濃度較低,即與調(diào)整C:N:P比相比,定期翻土可以顯著提高血粉刺激土著微生物修復(fù)的效率.綜上所述,調(diào)整C:N:P比沒有顯著的提高土著微生物修復(fù)DDTs的效率,而定期翻土可以顯著提高血粉刺激土著微生物修復(fù)土壤中DDTs的效率,因此在修復(fù)現(xiàn)場可以在添加血粉刺激土著微生物修復(fù)土壤中DDTs的同時輔以定期翻土以提高修復(fù)效率,修復(fù)5個月后平均降解率可達43.41%.

表1 不同條件下血粉原位刺激修復(fù)5個月后土壤中DDTs濃度的T檢驗結(jié)果Table 1 The result of T test on the DDTs concentration after five month remediation using blood meal in different conditions

2.3 不同條件下土壤中DDTs同分異構(gòu)體/同系物的降解情況

添加不同營養(yǎng)物、調(diào)整C:N:P比、定期翻土修復(fù)后,土壤中DDTs主要同分異構(gòu)體/同系物(p,p’-DDE、p,p’-DDD、o,p’-DDT、p,p’-DDT)平均殘留濃度見圖4.由圖4a中可以看出土壤中p,p’-DDT殘留濃度隨著降解時間的增加不斷降低,T5組從第1個月后降解速度顯著降低,X5NP和X5F組中p,p’-DDT殘留濃度較低,但X5NP組從第3個月后p,p’-DDT殘留濃度趨于平衡,與X5組對比可以看出調(diào)整C:N:P比和定期翻土在血粉作為投加營養(yǎng)源的情況下可以加快p,p’-DDT的降解.圖4b為不同條件下土壤中o,p’-DDT殘留濃度,不同條件對o,p’-DDT降解情況的影響與p,p’-DDT相類似,但不同處理的影響程度不同,其中定期翻土在血粉作為投加營養(yǎng)源的情況下對o,p’-DDT降解情況的影響最為顯著,能夠明顯加快o,p’-DDT的降解.圖4c為不同條件下土壤中p,p’-DDD殘留濃度圖,與其它組分相比, p,p’-DDD濃度下降較緩慢,這主要是由于DDD在厭氧條件下易于還原脫氯成DDMS和DDNU[27],而耕作層以好氧條件為主,不利于DDD的進一步降解,因此不同條件下土壤中p,p’-DDD濃度下降較緩慢.圖4d為不同條件下土壤中p,p’-DDE殘留濃度圖,與o,p’-DDT、p,p’-DDT相比較, p,p’-DDE殘留濃度降低幅度相對較低,這主要是由于p,p’-DDT在好氧環(huán)境(耕作層)中主要降解為p,p’-DDE[23],生成的p,p’-DDE不斷補充土壤中降解掉的p,p’-DDE,因此使得土壤中p,p’-DDE濃度下降較慢. p,p’-DDE在環(huán)境中持久性更強[28],同時p,p’-DDE在水中溶解度(0.12mg/L)大于p,p’-DDT溶解度(0.025mg/L)[29],當(dāng)p,p’-DDT降解為p,p’-DDE后其更易于隨著食物鏈進行富集,對人體和其他生物的危害性更大,因此去除環(huán)境中殘留的p,p’-DDE比p,p’-DDT 更加重要.對比不同條件下土壤中p,p’-DDE殘留濃度可以看出X5F組中殘留濃度最低,因此添加血粉輔以定期翻土的條件下刺激土著微生物修復(fù)土壤中DDTs的修復(fù)效果最好,同時修復(fù)后的環(huán)境風(fēng)險也較小.

圖4 不同處理對土壤中DDTs主要同分異構(gòu)體/同系物平均殘留量的影響Fig.4 The effect on the concentration of DDTs isomers and homologues in different conditions

3 結(jié)論

3.1 土壤中含有可以降解DDTs的微生物,添加營養(yǎng)物刺激土著微生物原位修復(fù)DDTs污染是切實可行的.

3.2 葡萄糖可以在短時間內(nèi)刺激土著微生物數(shù)量迅速增加,但同時葡萄糖易于流失導(dǎo)致降解效果顯著降低;血粉可以吸附到土壤顆粒中穩(wěn)定存在,添加血粉可以長期、有效的提高土壤過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性,刺激土著微生物修復(fù)DDTs污染土壤.

3.3 添加血粉刺激土著微生物修復(fù)土壤中DDTs污染時,調(diào)整C:N:P比對提高土著微生物修復(fù)DDTs的效率影響不顯著,而定期翻土可以顯著提高土壤酶活性,使5個月DDTs降解率達到43.41%,同時對于土壤中p,p’-DDE去除效果較好,有利于降低DDTs和場地修復(fù)后的環(huán)境風(fēng)險,在實際修復(fù)場地中具有較好的應(yīng)用前景.

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致謝：本實驗的樣品采集和分析工作由沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室全體實驗員老師等協(xié)助完成,在此表示感謝.

Field test on biostimu lation to remediation DDTs in contaminated farmland soil using b lood meal.

WANG Hui,WANG Xiao-xu, SUN Li-na*, WU Hao, LUO Qing, RONG Lu-ge
(Key Laboratory of Regional Environment and Eco-remediation, Ministry of Education, Shenyang University, Shenyang 110044, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：654～660

The remediation effect of DDTs in aged contaminated farmland soil using blood meal was investigated in the field test. Meanwhile, the effects of remediation conditions and degradation characteristics of DDTs isomers and homologues were studied in this paper. The results showed that the method of biostimulation using blood meal was a practical way to remediate the DDTs aged contaminated farmland soil. Compared with glucose, the blood meal was a long termeffective method on stimulating indigenous microorganisms to degrade DDTs in the soil, and the soil catalase activity and invertase activity were greatly improved. To plowthe land once a week was helpful to remediate the contaminated soil by biostimulating using blood meal. At the same time, as the high toxicity homologues DDTs, PP’-DDE was effectively degraded, and the potential environmental risks reduced significantly. Hence, the present study demonstrated that biostimulation using blood meal supplemented by plowing the soil once a week had the great potential application for remediating the DDTs contaminated farmland soil.

blood meal；DDTs；field test；aged contaminated farmland soil；biostimulation

X53

A

1000-6923(2017)02-0654-07

王 輝(1981-),男,遼寧遼陽人,副教授,博士,主要從事污染修復(fù)和環(huán)境評價研究.發(fā)表論文10余篇.

2016-06-19

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 (2014CB441106);沈陽市科學(xué)事業(yè)費競爭性選擇項目(城市生態(tài)環(huán)境風(fēng)險管理及其修復(fù)技術(shù)研究);沈陽市科技計劃項目(F14-133-9-00)

* 責(zé)任作者, 教授, Sln629@163.com