水溶性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤吸附芘的影響

黃賽花，吳啟堂，侯梅芳，孫翠香，盧普相，黃燁，鄔斯敏

1. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所//廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642

水溶性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤吸附芘的影響

黃賽花1，吳啟堂3，侯梅芳2*，孫翠香1，盧普相1，黃燁3，鄔斯敏3

1. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所//廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642

多環(huán)芳烴（PAHs）有高疏水特性，再加上土壤對(duì)PAHs的吸附作用，使得PAHs污染土壤的生物修復(fù)十分困難。水溶性有機(jī)物（Dissolved Organic Matter，DOM）雖僅占土壤有機(jī)質(zhì)的很小部分，卻是影響PAHs在土壤中的轉(zhuǎn)化、遷移的重要因子。為了認(rèn)清DOM在生物修復(fù)PAHs污染土壤中的影響作用，以四環(huán)的芘作為目標(biāo)污染物，以蚯蚓糞和生豬糞作為DOM的主要來(lái)源，研究了去除內(nèi)源DOM土壤和原土壤吸附PAHs的區(qū)別，探索了不同用量、不同分子量、不同來(lái)源的DOM對(duì)土壤吸附芘的影響。結(jié)果表明，（1）內(nèi)源DOM抑制土壤對(duì)芘的吸附作用，去除內(nèi)源DOM可促進(jìn)土壤對(duì)芘的吸附。（2）不同用量DOM對(duì)土壤吸附有機(jī)污染物的作用取決于DOM的臨界值質(zhì)量濃度、水土比及其吸附機(jī)理。當(dāng)水土比為124，DOM小于臨界值時(shí)，DOM對(duì)有機(jī)物增溶起主要作用，DOM的增加抑制芘的吸附；當(dāng)DOM大于臨界值時(shí)，共吸附和累積吸附起主要作用，DOM促進(jìn)芘的吸附。當(dāng)水土比為49時(shí)，DOM質(zhì)量濃度的增大能促進(jìn)芘的吸附。當(dāng)水土比為24時(shí)，DOM質(zhì)量濃度的增大抑制芘的吸附。（3）DOM的大分子量組分質(zhì)量濃度越高，對(duì)芘的增溶作用越大，更能促進(jìn)芘的溶解，從而抑制土壤對(duì)芘的吸附，小分子量組分DOM的作用則相反；中分子量DOM對(duì)土壤吸附芘的影響類似于大分子量DOM。研究DOM對(duì)土壤吸附芘的影響，對(duì)于PAHs污染土壤的修復(fù)有著重要的意義。

水溶性有機(jī)物（DOM）；土壤；吸附；芘

眾所周知，由于土壤對(duì)多環(huán)芳烴（PAHs）具有吸附作用，再加上PAHs的高疏水特性，使得PAHs污染土壤的生物修復(fù)十分困難（Bezza et al.，2017）。而土壤對(duì)PAHs的吸附行為，對(duì)PAHs在環(huán)境中的遷移和歸趨起著十分重要的作用（Kuppusamy et al.，2016，2017；Duan et al.，2013），其吸附程度的大小直接影響PAHs在環(huán)境中的移動(dòng)性、揮發(fā)性、生物毒害性和生物降解率。土壤對(duì)PAHs的吸附作用分為礦物組分和土壤有機(jī)質(zhì)吸附兩部分，其中，有機(jī)質(zhì)吸附占土壤吸附的主要部分（包桂奇等，2013；韋婧等，2013；張洪梅，2014；郭蘭等，2015），而土壤有機(jī)質(zhì)中起主要作用的是水溶性有機(jī)物（Dissolved Organic Matter，DOM）。DOM僅占土壤總有機(jī)質(zhì)的很少部分，但能作為PAHs在土壤中遷移的載體，對(duì)PAHs在土壤中的吸附產(chǎn)生很大的影響（Gao et al.， 2007；Zhang et al.，2016）。

外源DOM添加至土壤后，與土壤、PAHs相互作用，對(duì)PAHs的環(huán)境行為與生物有效性的影響已引起人們的關(guān)注（Stutter et al.，2013；Sun et al.，2016）。不同用量、不同來(lái)源的DOM組分差異較大（Hertkorn et al.，2016），與PAHs結(jié)合的機(jī)理亦有所區(qū)別（Richter et al.，2009；Qiao et al.，2011；張洪梅，2014）。芘（pyrene）是環(huán)境中質(zhì)量濃度比較高的PAHs組分，環(huán)境介質(zhì)中芘的含量與PAHs的總量之間往往具有良好的相關(guān)性，經(jīng)常成為PAHs研究對(duì)象之一（Ren et al.，2016；Liu et al.，2016）。本研究以芘作為目標(biāo)污染物，研究去除內(nèi)源DOM土壤和原土壤吸附PAHs的差異，探索不同用量、不同分子量、不同來(lái)源的DOM對(duì)土壤吸附芘的影響，有利于認(rèn)識(shí)PAHs在土壤環(huán)境中的持留、分布、遷移、轉(zhuǎn)化、歸宿及生物有效性（Zhang et al.，2012；Dong et al.，2013），為PAHs污染土壤的生物修復(fù)研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤：采自廣東省廣州鎮(zhèn)龍洋田村，具體位置為：北緯23°18'50"，東經(jīng)113°35'49"。土壤質(zhì)地為砂壤土，有機(jī)質(zhì)(10.6±0.02) mg?kg-1，pH為(5.8±0.02)，DOM為(12.86±0.10) g?kg-1。

液體平衡液：根據(jù)Tien et al.（1988）的方法進(jìn)行改良，使用0.02 mol?L-1和pH 4.4的醋酸緩沖溶液進(jìn)行配制，葡萄糖（C6H12O6?H2O）10 g?L-1，酒石酸銨5 g?L-1，KH2PO42 g?L-1，MgSO4?7H2O 0.25 g?L-1，CaCl20.1 g?L-1，微量元素10 mL，維生素B1（VB1）5 mg?L-1（VB1在使用前用0.2 μm的無(wú)菌濾膜進(jìn)行過(guò)濾）。

微量元素組成：MnSO40.5 g?L-1，NaCl 1.0 g?L-1，F(xiàn)eSO4?7H2O 0.1 g?L-1，CoCl20.1 g?L-1，ZnSO4?7H2O 0.1 g?L-1，CuSO40.1 g?L-1，AlK(SO4)2?12H2O 0.01 g?L-1，Na2MoO4?2H2O 0.01 g?L-1。

標(biāo)準(zhǔn)芘溶液購(gòu)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)，質(zhì)量濃度為261 mg·L-1；其余均為常用無(wú)機(jī)及有機(jī)生化試劑，購(gòu)自廣州化學(xué)試劑廠，全部為分析純。

透析袋3.5千道爾頓（KD）和15 KD，購(gòu)自Beijing Solarbio Science & Technology Co.，Ltd。1.2 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

1.2.1 DOM浸提與分級(jí)

DOM浸提：蚯蚓糞和生豬糞樣品由廣東省佛岡沃土農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，其中蚯蚓糞是以生豬糞為原料飼養(yǎng)的蚯蚓所生產(chǎn)的糞。分別取一定重量蚯蚓糞或生豬糞，按質(zhì)量（w）與體積（v）比例為1∶15加入雙蒸水中，在25 ℃、200 r?min-1水平振蕩提取16 h，然后在4 ℃、12000 r?min-1離心20 min，上清液用0.45 μm的濾膜過(guò)濾，濾液中的有機(jī)物即為DOM（Guo et al.，2014）。DOM很容易被微生物分解，為避免DOM里摻帶的雜菌影響有機(jī)碳的分解，把浸提好的DOM溶液置于121 ℃高溫下滅菌20 min，滅好菌的DOM濃度采用TOC儀（TOC-5000A，島津）測(cè)定，備用。TOC儀測(cè)得蚯蚓糞和生豬糞的DOC分別為100 mg?L-1、202 mg?L-1。

DOM的分級(jí)（透析袋法）參照占新華等（2003）的方法，取由生豬糞浸提的DOM，利用透析袋（Spectra/Por7，Spectrum Industries，Califomia）3.5 KD和15 KD，將DOM分離成<3.5 KD?3.5~15 KD和>15 KD 3種組分，并于121 ℃滅菌15 min，備用。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將芘配制成100 mg?L-1的甲醇芘備用。

（1）去除內(nèi)源DOM的土壤和原土對(duì)芘的吸附

先對(duì)原土浸提、去除DOM后，過(guò)濾風(fēng)干作為去除內(nèi)源DOM土，將去除內(nèi)源DOM土和原土置于121 ℃高溫下滅菌20 min，備用。分別稱取兩種土壤0.2、0.5、1.0和2.0 g，置于25 mL帶有聚四氟乙烯瓶蓋的玻璃瓶中，分別加入25 mL芘和液體平衡液，芘最后質(zhì)量濃度為5 mg?L-1，于160 r?min-1、25 ℃下恒溫振蕩24 h，再過(guò)濾進(jìn)行芘的提取和測(cè)定，每種處理設(shè)3個(gè)平行。將芘直接加入液體平衡液（25 mL）中進(jìn)行萃取，作為空白對(duì)照。

（2）不同用量的外源DOM對(duì)土壤吸附芘的影響

分別稱取原土0.2、0.5和1.0 g，添加從蚯蚓糞里提取的DOM，置于50 mL帶有聚四氟乙烯瓶蓋的玻璃瓶中，分別加入25 mL芘和液體平衡液，芘最后質(zhì)量濃度為5 mg?L-1。水土比分別為124、49和24，DOM質(zhì)量濃度分別為2、4、8和20 mg?L-1，每個(gè)處理3個(gè)平行，于160 r?min-1、25 ℃下恒溫振蕩，24 h后再過(guò)濾進(jìn)行芘的提取和測(cè)定。

（3）不同分子量的DOM對(duì)土壤吸附芘的影響

利用滲析袋將源于生豬糞浸的DOM浸提溶液分離成<3.5 KD（小分子量）?3.5~15 KD（中分子量）和>15 KD（大分子量）3種組分；稱取滅菌原土1.0 g，置于50 mL帶有聚四氟乙烯瓶蓋的玻璃瓶中，芘和液體平衡液共25 mL，芘最后質(zhì)量濃度為5 mg?L-1，保持水土比為24，DOM質(zhì)量濃度分別為16.2、40.4 mg?L-1，每個(gè)處理3個(gè)平行，160 r?min-1、25 ℃下恒溫振蕩，72 h后再過(guò)濾進(jìn)行芘的提取和測(cè)定。

（4）不同來(lái)源的DOM對(duì)土壤吸附芘的影響

分別取生豬糞和蚯蚓糞的浸提劑DOM，稱取原土0.2、0.5和1.0 g，即水土比分別為124、49、24，分別設(shè)置DOM質(zhì)量濃度4、8 mg?L-1，置于50 mL帶有聚四氟乙烯瓶蓋的玻璃瓶中，分別加入25 mL芘和液體平衡液，芘最后質(zhì)量濃度為5 mg?L-1，根據(jù)水土比和DOM質(zhì)量濃度，分別編號(hào)：124-4、124-8，49-4、49-8，24-4、24-8，每個(gè)處理3個(gè)平行，160 r?min-1、25 ℃下恒溫振蕩24 h，再過(guò)濾進(jìn)行芘的提取和測(cè)定。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

芘的提?。簩⒉Ａ恐械暮艃?nèi)容物一起用濾紙過(guò)濾于50 mL高型燒杯中，其中玻璃瓶和濾紙先用5 mL丙酮洗滌2次，再用3 mL環(huán)己烷洗滌2次，并轉(zhuǎn)入125 mL分液漏斗中，每次共用環(huán)己烷7 mL振搖萃取，每次振搖300下，保存環(huán)己烷層，利用已于300 ℃下烘過(guò)2 h的無(wú)水硫酸鈉去水，并用環(huán)己烷洗滌無(wú)水硫酸鈉多次，所有環(huán)己烷萃取液倒入25 mL的具塞比色管中，定容搖勻，再吸取1 mL至帶聚四氟乙烯墊片的2 mL樣品瓶中，添加100 mg?L-1氘代芘10 μL和100 mg?L-1六甲基苯5 μL，上機(jī)測(cè)定芘。該提取方法芘的回收率達(dá)到79.6%~81.2%。

芘的測(cè)定采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（島津GC/MS QP2010 Plus，日本）對(duì)有機(jī)相中的芘含量進(jìn)行測(cè)定。色譜條件：進(jìn)樣口無(wú)分流模式，進(jìn)樣口溫度270 ℃；色譜柱型號(hào)為DB-5彈性石英毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；柱流量1.65 mL?min-1；爐溫55 ℃保持1 min，以25 ℃?min-1升至200 ℃，再以10 ℃?min-1升至240 ℃保持0.5 min，最后以30 ℃?min-1升至280 ℃保持2 min。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

芘的吸附率（%）=（空白芘的質(zhì)量濃度-溶液中剩余芘的質(zhì)量濃度）/空白芘的質(zhì)量濃度；

所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 9.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果和討論

2.1 去除內(nèi)源DOM的土壤和原土對(duì)芘的吸附影響

由圖1可知，在等量土壤條件下，去除內(nèi)源DOM的土壤對(duì)芘的去除率顯著高于原土（P<0.05）。土壤質(zhì)量和芘質(zhì)量濃度呈極顯著的負(fù)相關(guān)，兩者的Spearman相關(guān)系數(shù)為-0.668。

圖1 去除內(nèi)源土和原土對(duì)芘的吸附曲線Fig. 1 The adsorption curve of pyrene by soils before and after the removal of the endogenous DOM

有研究表明，去除DOM后土壤對(duì)PAHs的吸附作用方式主要是分配作用（熊巍等，2007）。理論上，土壤有機(jī)碳含量與吸附率呈正相關(guān)，去除一定量的內(nèi)源DOM后，供試土樣有機(jī)碳含量減少，吸附率將會(huì)降低。然而，本試驗(yàn)結(jié)果表明，去除內(nèi)源DOM后土壤對(duì)芘的吸附率分別比原土增加了4.5%、4.4%、7.8%、7.0%，說(shuō)明去除DOM后土壤對(duì)芘具有更強(qiáng)的吸附能力。可以認(rèn)為，土壤中固有的內(nèi)源DOM會(huì)抑制土壤對(duì)芘的吸附，這主要是因?yàn)閮?nèi)源DOM和土壤結(jié)合在一起，一方面減少了土壤的吸附位點(diǎn)，另一方面又競(jìng)爭(zhēng)土壤中有限的結(jié)合位點(diǎn)（包桂奇等，2013）；此外，還能通過(guò)分配、疏水作用以及NH-π和π-π電子作用形成DOM-芘配合物（占新華等，2007），或改變?cè)型?液界面的性質(zhì)，比如降低溶液的表面張力（Li et al.，2005），從而對(duì)芘產(chǎn)生增溶作用。去除內(nèi)源DOM后，土壤對(duì)芘的結(jié)合位點(diǎn)增加，減少了DOM對(duì)芘的增溶，所以增大了對(duì)芘的吸附。同時(shí)吸附率隨吸附位點(diǎn)的增加而提高的現(xiàn)象表現(xiàn)在土壤從0.2 g增至0.5、1.0和2.0 g過(guò)程中，其吸附率也相應(yīng)增加。

內(nèi)源DOM對(duì)土壤吸附有機(jī)污染物的影響，與溶液中DOM與污染物的結(jié)合作用密切相關(guān)。有研究表明，多環(huán)芳烴作為一類典型的疏水性有機(jī)物，容易分布在疏水性強(qiáng)的小環(huán)境中，比如DOM的疏水部位（凌婉婷，2005）。一般認(rèn)為，疏水性有機(jī)化合物主要以疏水鍵與溶液中DOM的疏水組分結(jié)合，并生成穩(wěn)定的聯(lián)合體（凌婉婷，2005），從而抑制了芘向土壤固相中的分配作用，降低了芘在土壤固相中的吸附量。土壤內(nèi)源DOM的去除不僅釋放了其占有的吸附位點(diǎn)，而且減弱了DOM對(duì)芘的增溶和結(jié)合作用，從而使土壤對(duì)有機(jī)污染物-芘的吸附能力增強(qiáng)。

2.2 不同用量的外源DOM對(duì)土壤吸附芘的影響

由圖2可知，當(dāng)水土比為124，芘的質(zhì)量濃度先逐漸上升后下降，即土壤對(duì)芘的吸附率隨DOM添加量的增加而先下降后升高；當(dāng)水土比為49時(shí)，芘質(zhì)量濃度隨著DOM的增加而下降，即其對(duì)土壤吸附芘起促進(jìn)作用；當(dāng)水土比為24時(shí)，芘質(zhì)量濃度隨著DOM的增加而增加，即其對(duì)土壤吸附芘起抑制作用。土壤質(zhì)量和芘質(zhì)量濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)，二者Spearman相關(guān)系數(shù)為-0.765（P=0.000），；DOM加入量和芘質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，二者Spearman相關(guān)系數(shù)為-0.124（P=0.046）。

圖2 不同用量的DOM對(duì)土壤吸附芘的曲線Fig. 2 The adsorption curve of pyrene by soil with different dosages of DOM

DOM對(duì)PAHs在土壤中的吸附行為的影響既可以表現(xiàn)為促進(jìn)作用（Qiao et al.，2011），又可以表現(xiàn)為抑制作用（張豐松等，2012；Ding et al.，2011），主要是由DOM的酸堿緩沖作用和絡(luò)合作用所決定。一方面，DOM與PAHs（芘）在土壤表面的共吸附和累積吸附可促進(jìn)芘在土壤中的吸附。這里的共吸附是指DOM和芘先結(jié)合形成DOM-芘復(fù)合物，再以復(fù)合物的形式被吸附到土壤中。累積吸附是指DOM先被吸附到土壤上，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，形成新的吸附位點(diǎn)，進(jìn)而增加芘的吸附。另一方面，DOM對(duì)PAHs（芘）的增溶作用，有利于土壤對(duì)芘的解吸，提高芘的移動(dòng)性（包桂奇等，2013），這是因?yàn)橥寥琅cDOM結(jié)合后，通過(guò)疏水組分形成疏水區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)部具有疏水性，外部由親水性的組分和離子化基團(tuán)構(gòu)成，這就使得土水界面更具親水性，更易吸附水分子而不是芘分子，從而減少土壤對(duì)芘的吸附（Bezzaet al.，2017）。事實(shí)上，土壤吸附有機(jī)物的作用力主要是分配作用，研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著DOM質(zhì)量濃度的增大，有機(jī)物的吸附分配系數(shù)變大，有機(jī)物的吸附增多，但達(dá)到一定質(zhì)量濃度以后，隨著DOM質(zhì)量濃度的增大，有機(jī)物的分配吸附減弱，從而抑制有機(jī)物的吸附（Gao et al.，2007）。因此，可以認(rèn)為：不同質(zhì)量濃度的DOM對(duì)有機(jī)污染物在土壤中的吸附行為是促進(jìn)還是抑制取決于DOM的臨界值質(zhì)量濃度。凌婉婷（2005）研究了DOM臨界質(zhì)量濃度與土壤粘粒含量和有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其與粘粒含量無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系，但與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在有機(jī)質(zhì)含量高的土壤中，低質(zhì)量濃度DOM會(huì)抑制土壤對(duì)有機(jī)污染物的吸附；在有機(jī)質(zhì)含量低的土壤中，DOM在相當(dāng)寬的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)會(huì)促進(jìn)土壤對(duì)有機(jī)污染物的吸附（凌婉婷，2005；郭蘭等，2015）。這也能很好地解釋本研究中DOM所表現(xiàn)出的抑制和促進(jìn)吸附的現(xiàn)象，當(dāng)水土比為124，外源DOM從2 mg?L-1增至4、8 mg?L-1時(shí)，芘質(zhì)量濃度從1.516 mg?L-1分別上升至1.523、1.825 mg?L-1，DOM的增加抑制了芘的吸附，主要是由于水土比較高，土壤顆粒不多，此時(shí)DOM和芘的增溶作用大于吸附作用，即DOM的疏水結(jié)構(gòu)和芘結(jié)合在一起，類似于“相似相溶”（Bezza et al.，2017），所以芘質(zhì)量濃度隨著DOM的增加而增加；而當(dāng)DOM質(zhì)量濃度大于8 mg?L-1，芘質(zhì)量濃度下降，芘的吸附升高，此時(shí)和芘結(jié)合的疏水DOM部分達(dá)到飽和，而DOM-芘以符復(fù)合物的形式被吸附到土壤上。所以認(rèn)為，本研究中，在水土比為124時(shí)，DOM的臨界吸附質(zhì)量濃度是8 mg?L-1，當(dāng)DOM質(zhì)量濃度低于該值時(shí)，隨著DOM質(zhì)量濃度的增大，其抑制芘的吸附能力越強(qiáng)，DOM的增溶作用大于吸附作用；當(dāng)DOM大于該臨界值時(shí)，隨著DOM質(zhì)量濃度的增大，其促進(jìn)芘的吸附的能力越強(qiáng)，其累積吸附和共吸附作用大于增溶作用。與此同時(shí)，這種促進(jìn)吸附的作用在水土比為49的處理中也有很好的體現(xiàn)，當(dāng)DOM的質(zhì)量濃度從2 mg?L-1增至4、8和20 mg?L-1時(shí)，溶液中芘的質(zhì)量濃度從1.33 mg?L-1分別降至為1.25、1.19、0.797 mg?L-1，即吸附量隨著DOM添加量的增多而增多，隨著DOM質(zhì)量濃度的增大，促進(jìn)吸附的作用就越強(qiáng)，即形成了較多的DOM-芘化合物，芘的累積吸附和共吸附大于芘的增溶作用。

然而，這種促進(jìn)吸附的作用在供試土壤水土比為24時(shí)發(fā)生了變化，當(dāng)外源DOM質(zhì)量濃度從2 mg?L-1增至4、8和20 mg?L-1時(shí)，芘的質(zhì)量濃度從0.917 mg?L-1分別增至1.075、1.158、1.186 mg?L-1，表現(xiàn)為對(duì)芘的吸附抑制加強(qiáng)，此時(shí)土壤含量較水土比為49時(shí)增加了1倍，內(nèi)源DOM總量也增加了1倍，而內(nèi)源DOM的增加會(huì)抑制芘的吸附；其次，伴隨著DOM質(zhì)量濃度的上升，芘與DOM多以疏水性結(jié)合，導(dǎo)致DOM對(duì)芘的增溶作用大于吸附作用，且這種增溶作用伴隨著DOM質(zhì)量濃度的升高而上升。喬肖翠等（2014）認(rèn)為當(dāng)DOM質(zhì)量濃度達(dá)到一定程度時(shí)，DOM會(huì)形成表面活性劑膠束，PAHs進(jìn)入膠束內(nèi)部，從而加快遷移，這與水土比為24的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。本研究認(rèn)為，除了一定質(zhì)量濃度的DOM外，水土比也是決定DOM是促進(jìn)還是抑制土壤吸附PAHs的一個(gè)很重要的條件。

DOM與有機(jī)污染物的結(jié)合機(jī)理主要有氫鍵（Yamamoto et al.，2003）、疏水分配（占新華等，2007）、共價(jià)鍵、離子鍵、陽(yáng)離子交換（Richter et al.，2009；張洪梅，2014）和π-π相互作用（Qiao et al.，2011）等。芘與DOM組分的結(jié)合往往是多種機(jī)理同時(shí)發(fā)生，因而，抑制土壤吸附的機(jī)制主要是通過(guò)分配作用、疏水效應(yīng)、NH-π作用及π-π作用促進(jìn)芘在溶液中的溶解，從而減少土壤對(duì)芘的吸附固定。

2.3 不同分子量DOM對(duì)土壤吸附芘的影響

DOM是多種有機(jī)分子的混合物，功能團(tuán)多，性質(zhì)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜（Hertkorn et al.，2016），尤其是疏水組分的結(jié)構(gòu)，對(duì)芘在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化和代謝都產(chǎn)生了非常重要的作用，因此，研究DOM不同組分對(duì)芘的吸附的影響非常有必要（表1）。

表1 不同分子量的DOM對(duì)土壤吸附芘的影響Table 1 The adsorption of pyrene by soil with different molecular weight of DOM

對(duì)不同分子量、不同用量DOM和芘的質(zhì)量濃度進(jìn)行單變量多因素方差分析，由表2可知，芘質(zhì)量濃度的變異能被不同分子量、不同用量DOM及兩者的交互作用解釋90.9%（F=23.89，P=0.000，R2=0.909，調(diào)整R2=0.871），其中，不同分子量、不同用量DOM對(duì)芘質(zhì)量濃度具有顯著影響（P<0.05）。

表2 不同分子量、不同用量DOM和芘的質(zhì)量濃度的多因素方差分析Table 2 Multivariate analysis among the concentration of DOM, different molecular weights and different dosages of pyrene

從表1可知，在土壤質(zhì)量不變的情況下，不同組分的DOM對(duì)土壤吸附芘的作用不同，當(dāng)DOM質(zhì)量濃度為16.2 mg?L-1時(shí)，小分子量DOM處理芘質(zhì)量濃度比大分子量DOM處理低了38.9%，而中分子量DOM處理比大分子量低了11.7%，比小分子量DOM處理又高了44.3%。這是因?yàn)镈OM是由一系列分子量大小不同的有機(jī)物組成的，而分子量較大的DOM包括了分子量大的多糖、多肽、富里酸和腐殖酸等（Dong et al.，2013）。分子量大小是影響DOM性質(zhì)的重要因素，不同分子量的DOM組分的化學(xué)性質(zhì)也是不同的。據(jù)報(bào)道，DOM對(duì)芘的親和力大小很大程度上取決于DOM的大分子量組分，即疏水組分（郭平等，2009）。大分子量組分含量越高，其內(nèi)部的疏水區(qū)域也就越多，對(duì)疏水性有機(jī)污染物芘的親和力也就越大（Akkanen et al.，2004），與芘結(jié)合的能力也就越強(qiáng)，從而對(duì)土壤吸附芘的抑制作用也就越大。由于大分子量DOM極性比小分子量DOM更小，芳香性更強(qiáng)，與芘有更強(qiáng)的作用力，因此，當(dāng)DOM質(zhì)量濃度為16.2 mg?L-1時(shí)，大分子量DOM處理芘質(zhì)量濃度比小分子量DOM處理高得多，這是大分子量DOM的疏水組分顯著促進(jìn)芘的溶解的結(jié)果，即“相似相溶”原理（Bezza et al.，2017）。此外，本研究中DOM來(lái)源于生豬糞，其非極性組分比一般土壤的DOM要大得多，故其結(jié)合疏水性有機(jī)污染物芘的能力更強(qiáng)（吳濟(jì)舟，2012）。

從表1還可知，小分子量DOM（<3.5 KD）質(zhì)量濃度從16.2 mg?L-1增至40.4 mg?L-1，芘質(zhì)量濃度亦從0.203 mg?L-1升至0.312 mg?L-1，也就是說(shuō)芘的吸附量隨著小分子量DOM的增多而下降，可能是由于大量的小分子量DOM和PAHs競(jìng)爭(zhēng)土壤的吸附位點(diǎn)，從而導(dǎo)致芘的吸附量下降。一般地，小分子量組分的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，多為醛糖、簡(jiǎn)單的脂肪酸、多元酚、氨基糖和大多數(shù)氨基酸等物質(zhì)（Zhang et al.，2012），這些小分子量DOM在環(huán)境中不穩(wěn)定，很容易降解，存在時(shí)間相對(duì)較短，因此其環(huán)境效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間也短；當(dāng)大分子量DOM（>15 KD）從16.2 mg?L-1增至40.4 mg?L-1，芘質(zhì)量濃度從0.332 mg?L-1下降到0.273 mg?L-1，也就是說(shuō)當(dāng)芘質(zhì)量濃度不變時(shí)，大分子量DOM對(duì)芘的增溶作用是有限的，過(guò)多地增加大分子量DOM的用量，使得過(guò)量的DOM結(jié)合到土壤中，形成新的結(jié)合位點(diǎn)，其累積吸附作用增強(qiáng)了，從而促進(jìn)了芘的吸附，導(dǎo)致芘質(zhì)量濃度下降；中分子量DOM（3.5~15 KD）質(zhì)量濃度從16.2 mg?L-1增至40.4 mg?L-1，芘質(zhì)量濃度從0.293 mg?L-1降至0.282 mg?L-1，這是由于該DOM來(lái)源于生豬糞的浸提液，大分子量DOM占主要部分，在3.5~15 KD范圍內(nèi)，大部分中分子量DOM接近15 KD，而接近3.5 KD的組分相對(duì)較少，所以中分子量DOM處理芘質(zhì)量濃度的變化規(guī)律更接近大分子量DOM的變化，即DOM添加量增大，其芘質(zhì)量濃度下降，即累積吸附增多，從而增大了芘的吸附量。

2.4 不同來(lái)源DOM對(duì)土壤吸附芘的影響

對(duì)不同來(lái)源、不同分子量、不同用量DOM和芘質(zhì)量濃度進(jìn)行單變量多因素方差分析，由表3可知，芘質(zhì)量濃度的變異能被不同來(lái)源、不同分子量、不同用量DOM及三者的交互作用解釋96.9%（F=67.12，P=0.000，R2=0.969，調(diào)整R2=0.954），其中，不同來(lái)源、不同分子量對(duì)芘質(zhì)量濃度具有顯著影響（P<0.05），而不同用量DOM對(duì)芘質(zhì)量濃度沒(méi)有顯著影響（P=0.556），而這3種因素的兩兩交互作用和3種因素的交互作用則對(duì)芘的質(zhì)量濃度具有顯著影響（P<0.05）。

表3 不同來(lái)源、不同分子量、不同用量DOM和芘的質(zhì)量濃度的多因素方差分析結(jié)果

從圖3和表3可知，添加來(lái)源于豬糞的外源DOM處理芘質(zhì)量濃度極顯著高于來(lái)源于蚯蚓糞的外源DOM處理（P=0.000）。不同來(lái)源的DOM對(duì)疏水性有機(jī)污染物的親和力很大程度上受控于DOM分子量的組成，尤其是大分子量組分的占比。根據(jù)“相似相溶”原理（Bezza et al.，2017），疏水性有機(jī)污染物芘與大分子量化合物的結(jié)合類似于它們?cè)诖蠓肿佑袡C(jī)化合物疏水區(qū)的分配吸附，大分子量組分含量越高，其內(nèi)部疏水區(qū)域越多，對(duì)疏水性有機(jī)污染物芘的親和力也就越大。已有報(bào)道稱，來(lái)源于豬糞的外源DOM處理比來(lái)源于水稻秸稈的外源處理DOM對(duì)疏水性有機(jī)污染物的增溶作用更好（姜蕾等，2016）。本研究中，蚯蚓糞是利用發(fā)酵的豬糞飼喂蚯蚓，通過(guò)蚯蚓腸道多種消化酶的消化分解，以及在多種腸道微生物分泌的酶類的作用下，轉(zhuǎn)化成為蚯蚓或其他微生物易于利用的小分子量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，最終通過(guò)蚯蚓的腸道擠壓排泄出的顆粒狀物，故蚯蚓糞中的大分子物質(zhì)比生豬糞要少得多，根據(jù)2.3中所述大分子量DOM易增溶芘的原理，認(rèn)為來(lái)源于生豬糞的DOM對(duì)PAHs的增溶作用比蚯蚓糞大得多。

圖3 不同來(lái)源DOM對(duì)土壤吸附芘的作用Fig. 3 The adsorption of pyrene by soil with different sources of DOM

總之，不同來(lái)源的DOM組分結(jié)構(gòu)不同（Hertkorn et al.，2016），其所表現(xiàn)出來(lái)的特性差別是很大的（Minor et al.，2014；Sandron et al.，2015），因此，不同來(lái)源的DOM對(duì)土壤吸附芘的影響也是不同的，其大分子量組分含量越高，對(duì)芘的增溶作用越大，抑制土壤吸附芘的作用就越強(qiáng)，反之就越弱。

3 結(jié)論

（1）內(nèi)源DOM抑制了土壤對(duì)芘的吸附作用，去除內(nèi)源DOM可促進(jìn)土壤對(duì)芘的吸附，因此增加土壤有機(jī)質(zhì)含量是修復(fù)芘污染土壤的有效措施。

（2）不同用量的DOM對(duì)有機(jī)污染物在土壤的吸附影響取決于DOM的臨界值質(zhì)量濃度、水土比及其吸附機(jī)理。

（3）DOM大分子量組分質(zhì)量濃度越高，對(duì)芘的增溶作用越大，更能促進(jìn)芘的溶解，從而抑制芘的吸附；小分子量組分的作用則相反；中分子量DOM對(duì)土壤吸附芘的影響類似于大分子量DOM。在芘污染土壤中增施豬糞比蚯蚓糞更能抑制芘在土壤中的吸附。

AKKANEN J, VOGT R D, KUKKONEN J V K. 2004. Essential characteristics of natural dissolved organic matter affecting the sorption of hydrophobic organic contaminants [J].Aquatic Sciences , 66(2): 171-177. BEZZAFA, NKHALAMBAYAUSI CHIRWAE M.2017. The role of lipopeptide biosurfactant on microbial remediation of aged polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)-contaminated soil [J].Chemical Engineering Journal,309(1): 563-576.

DING Q, WU H L, XU Y, et al. 2011. Impact of low molecular weight organic acids and dissolved organic matter on sorption and mobility of isoproturon in two soils [J]. Journal of Hazardous Materials, 190(1-3): 823-832.

DONG H P, WANG D Z, XIE Z X, et al. 2013. Metaproteomic characterization of high molecular weight dissoloved organic matter in surface seawaters in the South China Sea [J]. Geochimicaet Cosmochimica Acta, 109: 51-61.

DUAN L, NAIDU R, THAVAMANI P, et al. 2013. Managing Long-Term Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Contaminated Soils: A Risk-Based Approach [J]. Environmental Science and Pollution Research International, 22(12): 8927-8941.

GAO Y Z, XIONG W, LING W T, et al. 2006. Sorption of phenanthrene by soils contaminated with heavy metals [J]. Chemosphere, 65(8): 1355-1361.

GAO Y Z, XIONG W, LING W, et al. 2007. Impact of exotic and inherent dissolved organic matter on sorption of phenanthrene by soils [J]. Journal of Hazardous Materials, 140(1-2): 138-144.

GUO L, LU M, LI Q, et al. 2014. Three-dimensional fluorescence excitation-emission matrix (EEM) spectroscopy with regional integration analysis for assessing waste sludge hydrolysis treated with multi-enzyme and thermophilic bacteria [J]. Bioresource Technology, 171: 22-28.

HERTKORN N, HARIR M, CAWLEY K M, et al. 2016. Molecular characterization of dissolved organic matter from subtropical wetlands: a comparative study through the analysis of optical properties, NMR and FTICR/MS [J]. Biogeosciences, 13(8): 2257-2277.

KUPPUSAMYS, PALANISAMI T, MEGHARAJ M, et al. 2016. In-situ remediation approaches for the management of contaminated sites: a comprehensive overview [J]. Reviews of Environment Contamination and Toxicology, 236: 1-115.

KUPPUSAMYS, THAVAMANI P, VENKATESWARLUK, et al. 2017. Remediation approaches for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contaminated soils: Technological constraints, emerging trends and future directions [J]. Chemosphere, 168: 944-968.

LI K, XING B, TORELLO W A. 2005. Effect of organic fertilizers derived dissolved organic matter on pesticide sorption and leaching [J]. Environmental Pollution, 134(2): 187-194.

LIU T, WEI L S, QIAO M, et al. 2016.Mineralization of pyrene induced by interaction between Ochrobactrum sp. PW and ryegrass in spiked soil [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 133: 290-296.

MINOR E C, SWENSON M M, MATTSON B M et al. 2014. Structural characterization of dissolved organic matter: a review of current techniques for isolation and analysis [J]. Environmental Science-Processes & Impacts, 16(9): 2064-2079.

QIAO X, CARMOSIMI N, LIF, et al. 2011. Probing the primary mechanisms affecting the environmental distribution of estrogen and androgen isomers [J]. Environmental Science & Technology, 45(9):3989-3995.

REN G D, TENG Y, REN W J, et al. 2016.Pyrenedissipation potential varies with soil type and associated bacterial community changes[J]. Soil Biology and Biochemistry, 103: 71-85.

RICHTER M K, SANDER M, KRAUSS M, et al. 2009. Cation binding of antimicrobial sulfathiazole to leonardite humic acid [J]. Environmental Science &Technology, 43(17): 6632-6638.

SANDRON S, ROJAS A, WILSON R, et al. 2015. Chromatographic methods for the isolation, separation and characterisation of dissolved organic matter [J]. Environmental Science-Processes & Impacts, 17(9): 1531-1567.

STUTTER M I, RICHARDS S, DAWSON J J C. 2013. Biodegradability of natural dissolved organic matter collected from a UK moorland stream [J]. Water Research, 47(3): 1169-1180.

SUN J, GUO L, LI Q Q, et al. 2016.Structural and functional properties of organic matters in extracellular polymeric substances (EPS) and dissolved organic matters (DOM) after heat pretreatment with waste sludge[J]. Bioresource Technology, 219: 614-623.

TIEN M, KIRK T K. 1988. Lignin peroxidaseof Phanerochaete chrysosporium [J]. Methods in Enzymology, 161: 238-249.

YAMAMOTO H, LILJESTRAND H M, SHIMIZU Y, et al. 2003. Effects of physical-chemical characteristics on the sorption of selected endocrine disruptors by dissolved organic matter surrogates [J]. Environmental Science &Technology, 37(12): 2646-2657.

ZHANG H F, ZHANG Y H, SHI Q, et al. 2012. Characterization of low molecular weight dissolved natural organic matter along the treatment trait of a waterworks using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry [J].Water Research, 46(16): 5197-5204.

ZHANG J, FAN S K. 2016. Influence of PAH speciation in soils on vegetative uptake of PAHs using successive extraction [J].Journal of Hazardous Materials, 320: 114-122.

包桂奇,倪進(jìn)治,魏然, 等. 2013.土壤不同有機(jī)質(zhì)組分對(duì)菲的吸附特征研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),33(5): 861-867.

郭蘭,魏然,倪進(jìn)治, 等. 2015.生物炭添加對(duì)土壤中菲吸附行為的影響[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 10(2): 32-38.

郭平, 王瑾, 康春莉, 等. 2009. 根系分泌物對(duì)五氯酚的增溶作用和影響機(jī)制[J]. 環(huán)境化學(xué), 28(4): 519-523.

姜蕾,賈林賢,林靖凌, 等. 2016. 水溶性有機(jī)物對(duì)海南磚紅壤中殘留壬基酚吸附-解吸與遷移行為的影響[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào), 37(4): 790-796.

凌婉婷. 2005. 溶解性有機(jī)質(zhì)對(duì)莠去津在土壤/礦物-水界面行為的影響及其機(jī)理研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué).

喬肖翠,何江濤,楊蕾, 等. 2014.DOM及pH對(duì)典型PAHs在土壤中遷移影響模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 33(5): 943-950.

韋婧, 宋靜, 黃玉娟, 等. 2013. 溶解性富里酸對(duì)土壤中多環(huán)芳烴遷移的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 50(2): 230-236.

吳濟(jì)舟. 2012. 溶解性有機(jī)質(zhì)分組及各組分對(duì)芘的生物有效性及其吸附解吸的影響研究[D]. 天津: 南開(kāi)大學(xué).

熊巍, 凌婉婷, 高彥征, 等. 2007.水溶性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤吸附菲的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 18(2): 431-435.

占新華, 周立祥, 黃煥忠. 2003. 城市污泥堆肥過(guò)程中水溶性有機(jī)物的理化特性變化[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 23(4): 390-394.

占新華, 周立祥, 楊紅, 等. 2007. 水溶性有機(jī)物與多環(huán)芳烴結(jié)合特征的紅外光譜學(xué)研究[J]. 土壤, 44(1): 47-53.

張豐松, 李艷霞, 黃澤春, 等. 2012. 雌二醇在土壤/沉積物中的吸附特征及豬糞DOM對(duì)吸附的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 33(10): 3542-3546.

張洪梅. 2014. 湖泊沉積物中多環(huán)芳烴菲吸附解吸特征研究[D]. 南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué).

Effects of dissolved organic matter on the adsorption of pyrene on soils [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(4): 693-699.

HUANG Saihua, WU Qitang, HOU Meifang, SUN Cuixiang, LU Puxiang, HUANG Ye, WU Simin. 2017.

Effects of Dissolved Organic Matter on the Adsorption of Pyrene on Soils

HUANG Saihua1, WU Qitang3, HOU Meifang2, SUN Cuixiang1, LU Puxiang1, HUANG Ye3, WU Simin3
1. Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control //Guangdong Institute of Eco-environmental Sciences & Technology, Guangzhou 510650, China;
2. School of Ecological Technology and Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China;
3. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have high hydrophobic properties, and the adsorption of PAHs on soils makes the bioremediation of PAHs contaminated soil difficult. The dissoluble organic matter (DOM) accounts only a small part of soil organic matter, but it is key factor influencing the transformation and transportation of PAHs in soil. In order to understand the effect of DOM on the bioremediation of PAHs contaminated soil, pyrene of four rings was chosen as the target pollutant, earthworm feces or pig manure as the main source of DOM. The difference of the adsorption of pyrene onto soils before and after removal of endogenous DOM was investigated. The effects of different molecular weights, different dosages and different sources of DOM on the adsorption of pyrene by soil were studied. The results showed that: (1) the endogenous DOM could inhibit the adsorption of pyrene onto soil; the removal of the endogenous DOM might benefit the adsorption of pyrene onto soil. (2) The positive or negative role of DOM during the adsorption of organic pollutants in different soils depends on the critical value of DOM, the ratio of soil to water and its adsorption mechanism. When the ratio of soil to water was 124, the action of DOM and pyrene changed with the critical value. When the ratio of soil to water was 49, the increase of DOM concentration could promote the adsorption of pyrene. When the ratio of soil to water is 24, the increase of DOM concentration could inhibit the adsorption of pyrene. And (3) the large molecular weight component of DOM might be helpful for the dissolution of pyrene, which could lead to the inhibition of pyrene adsorption by soil. The effect of small molecular weight component of DOM was opposite. The effect of DOM with medium molecular weight on adsorption of pyrene by soil was similar to that of macromolecular DOM. The work is significant to the remediation of PAHs contaminated.

Dissolved Organic Matter (DOM); soil; adsorption; PAHs

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.022

X131.3

A

1674-5906（2017）04-0693-07

黃賽花, 吳啟堂, 侯梅芳, 孫翠香, 盧普相, 黃燁, 鄔斯敏. 2017. 水溶性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤吸附芘的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(4): 693-699.

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（41401356；41171250；20907011）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014A030313702）

黃賽花（1977年生），女，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境微生物和土壤有機(jī)污染修復(fù)。E-mail: shhuang@soil.gd.cn

*通信作者：侯梅芳（1976年生），女，教授，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染控制及修復(fù)。E-mail: mfhou@sit.edu.cn

2017-03-05