納米氧化鐵與氧化劑對多環(huán)芳烴污染農(nóng)田土壤修復(fù)和蔬菜健康風(fēng)險的影響*

周佳靖 柳修楚 郭 瑾 陳小宇 柴 超 葛 蔚

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109)

多環(huán)芳烴(PAHs)是環(huán)境中最普遍的有機(jī)污染物之一[1]，具有較高的遺傳毒性與致癌性[2]。PAHs溶解性較差，極易附著于土壤顆粒，因此土壤是PAHs的主要載體[3]。由于難降解的特性，使其在土壤中不斷積累，并可通過食物鏈進(jìn)入人體并富集[4]。

由于焦化廠、發(fā)電廠等企業(yè)的排放，其周邊農(nóng)田土壤中PAHs污染越來越嚴(yán)重[5]。已有研究表明，在中國農(nóng)田土壤中，16種PAHs為3.3～2 750 mg/kg[6]。目前，PAHs污染的農(nóng)田土壤主要以生物修復(fù)技術(shù)為主，但生物修復(fù)耗時較長，易受環(huán)境因素影響?；瘜W(xué)氧化修復(fù)具有耗時短和效率高的特點，在國內(nèi)外已獲得廣泛的運用。常用的氧化劑有H2O2、Fenton試劑及過硫酸鹽等[7]。過硫酸鹽通過活化作用致使本身的—O—O—斷裂產(chǎn)生具有強氧化性的硫酸根自由基，然后通過電子轉(zhuǎn)移方式與目標(biāo)污染物發(fā)生反應(yīng)，從而降解目標(biāo)污染物[8]。趙丹等[9]證實，過硫酸鈉對PAHs有良好的氧化去除效果。H2O2可催化產(chǎn)生·OH氧化降解有機(jī)污染物，王春艷等[10]發(fā)現(xiàn)，隨著H2O2處理劑量的增加，菲和芘的去除率提高。納米礦物材料由于具有巨大的表面積、超強的吸附螯合能力和光催化活性，近幾年在有機(jī)污染修復(fù)中受到關(guān)注。司雄元[11]發(fā)現(xiàn)，土壤中添加納米礦物可提高對多氯聯(lián)苯的吸附。此外，半導(dǎo)體納米氧化鐵還可作為光催化劑，利用太陽光可進(jìn)行有機(jī)物的降解[12]。

目前，對于PAHs污染土壤的修復(fù)研究中，多是以活化過硫酸鈉和類Fenton試劑進(jìn)行化學(xué)修復(fù)，采用納米礦物與氧化技術(shù)結(jié)合修復(fù)PAHs重度污染農(nóng)田土壤以及修復(fù)過程中對蔬菜的影響方面的研究相對較少。因此，本研究以熱電廠附近的PAHs污染農(nóng)田土壤為對象，采用納米氧化鐵和低濃度氧化劑聯(lián)合技術(shù)，考察修復(fù)效果以及該技術(shù)對蔬菜生長、PAHs富集的影響，為PAHs污染農(nóng)田土壤修復(fù)及蔬菜中PAHs的污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要供試材料

2017年3月采集某熱電廠附近的PAHs污染農(nóng)田土壤，去除大塊石礫、植物根莖，過篩后自然風(fēng)干。土壤類型為棕壤，pH為5.6，有機(jī)質(zhì)為14.1 g/kg，PAHs為2 438 μg/kg，其中低環(huán)(2～4環(huán))、高環(huán)(5～6環(huán))PAHs分別為2 324、106 μg/kg。根據(jù)MALISZEWSKA KORDYBACH等[13]建立的標(biāo)準(zhǔn)，土壤中16種PAHs<200 μg/kg則可認(rèn)為是無污染，200～600 μg/kg為輕度污染，600～1 000 μg/kg為中度污染，>1 000 μg/kg為重度污染。因此，該土壤為重度污染土壤。

H2O2、過硫酸鈉、納米氧化鐵均為商業(yè)產(chǎn)品。

1.2 實驗過程

稱取3.5 kg供試土壤，按照表1將不同試劑與土壤充分混合均勻后置于盆中，澆灌蒸餾水使土壤充分濕潤，播撒小白菜(BrassicachinensisL.)種子。待小白菜長出2～3片葉子后間苗，每盆保留10株。在小白菜生長期間，每隔兩天澆灌200 mL蒸餾水，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。待小白菜出苗35 d后，將小白菜挖出，對其株高進(jìn)行測量，對每株小白菜地上部與地下部分別進(jìn)行稱重、冷凍干燥，研磨充分后取一定量樣品對小白菜各部位進(jìn)行PAHs測定，同時測定各處理土壤中PAHs含量。

表1 不同處理的試劑及其施加量

1.3 測定方法

取2 g土壤樣品于玻璃離心管中，加入二氯甲烷超聲萃取1 h，4 000 r/min離心10 min，取萃取液3 mL過無水硫酸鈉和硅膠層析柱凈化，并用15 mL二氯甲烷/正己烷(體積比1∶1)溶液洗脫，收集濾液至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中濃縮至近干，最后用甲醇定容至2 mL，并通過0.22 μm有機(jī)濾膜后用于后續(xù)測定。蔬菜中PAHs的提取與凈化方法參考文獻(xiàn)[14]。

土壤與蔬菜中PAHs提取后均采用高效液相色譜紫外/熒光檢測器串聯(lián)的方法檢測美國優(yōu)先控制的16種PAHs[15]，配有SPD-2A紫外檢測器、RF-10AXL熒光檢測器、CTO-20A柱溫箱、LC-20AT低壓四元梯度泵、Φ4.6×250 mm Inertsil ODS-P PAHs專用反相色譜柱。流動相為甲醇-水，紫外和熒光均采用波長切換，流速1 mL/min，柱溫40 ℃，進(jìn)樣量20 μL。各PAHs均采用五點校準(zhǔn)曲線，校準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.999。

1.4 質(zhì)量保證

通過空白實驗、基質(zhì)加標(biāo)和雙平行樣控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。空白中未檢出目標(biāo)化合物。采用雙平行樣對所有樣品進(jìn)行分析，萘回收率為62.0%，其余15種PAHs回收率均為86.0%±15.0%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.6%～12.4%。每10個樣品做1次標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定儀器的穩(wěn)定性和校準(zhǔn)曲線。

1.5 致癌風(fēng)險評價

PAHs相對苯并(α)芘的毒性當(dāng)量因子通常被用來計算PAHs的健康風(fēng)險，將其他PAHs轉(zhuǎn)化為苯并(α)芘的毒性當(dāng)量因子。采用美國環(huán)境保護(hù)署推薦的終生致癌風(fēng)險(ILCRs)評價小白菜地上部中PAHs對人體的潛在致癌風(fēng)險[16]，計算見式(1)[17]，本研究各參數(shù)取值參考文獻(xiàn)[18]。

ILCRs=Ci×TEFi×Cf×IR×EF×ED×SF×CF/(BW×AT)

(1)

式中：Ci為PAHs質(zhì)量濃度，μg/kg；TEFi為毒性當(dāng)量因子；Cf為蔬菜濕質(zhì)量和干質(zhì)量之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)，小白菜取值為0.093；IR為小白菜攝取量，g/d，男性兒童(4～10歲)、男性青少年(11～17歲)、男性成年人(18～60歲)、男性老年人(>60歲)、女性兒童、女性青少年、女性成年人、女性老年人分別為95.4、146.0、173.0、155.0、99.7、132.0、157.0、135.0 g/d；EF為暴露頻率，d/a，取365 d/a；ED為暴露時間，a，根據(jù)各類人群物理活動和暴露場景有所不同，兒童、青少年、成年人、老年人分別為7、7、43、10 a；SF為致癌斜率因子，kg·d/mg，取7.3 kg·d/mg；CF為轉(zhuǎn)化因子，mg/ng，取10-6mg/ng；BW為體重，kg，兒童、青少年、成年人、老年人分別為23.6、48.0、62.0、62.0 kg；AT為平均壽命，d，取27 740 d。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用最小顯著差法對不同處理中土壤和小白菜中PAHs含量進(jìn)行方差分析，利用Spearman方法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理對土壤中PAHs及其去除率的影響

由圖1可見，處理1～7土壤中PAHs為1 636～2 238 μg/kg，均低于CK(2 338 μg/kg)，其中處理6最低。處理1～3土壤中PAHs隨納米氧化鐵施加量的減少而增加，且3個處理之間存在顯著差異，表明在一定范圍內(nèi)，納米氧化鐵施加量越多，去除PAHs作用越顯著。這可能是由于納米氧化鐵是一種光催化劑，對紫外和可見光具有良好的吸收效應(yīng)，PAHs在陽光照射下發(fā)生直接光降解行為[19]。納米氧化鐵施加量越多，比表面積越大，其表面受光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-空穴對也就越多，進(jìn)而其光催化氧化速率越快，PAHs去除率越高。孫楠[20]的研究也驗證了隨納米氧化鐵含量的增加，鄰苯二甲酸二丁酯降解效率提高。

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)，圖2和圖3同。圖1 不同處理下土壤中PAHs質(zhì)量濃度Fig.1 Mass concentration of PAHs in soil under different treatments

處理6土壤中PAHs低于處理7，說明納米氧化鐵施加量越多，去除PAHs的效果越明顯。處理6、7相應(yīng)與處理1、3對比可見，納米氧化鐵聯(lián)合H2O2后土壤中PAHs顯著降低。這可能是由于氧化鐵在光照射下與吸附在催化劑表面的OH-或H2O反應(yīng)，形成具有強氧化性的·OH，進(jìn)而與目標(biāo)物發(fā)生反應(yīng)，納米氧化鐵施加量越高，反應(yīng)越強烈。

處理4、5土壤中PAHs較高，說明施加過硫酸鈉對土壤中PAHs的去除效果較差。王思齊[21]研究發(fā)現(xiàn)，納米Fe3O4和過硫酸鹽為2∶1(摩爾比，下同)時苯酚去除率接近100.0%，1∶1時苯酚去除率達(dá)到93.5%。YAN等[22]發(fā)現(xiàn)，納米Fe3O4和過硫酸鹽為2∶1(摩爾比)時可將水中0.06 mmol/L磺胺間甲氧嘧啶完全降解。本研究中納米氧化鐵和過硫酸鈉聯(lián)合作用后PAHs的去除效果較差，可能是在土壤這一介質(zhì)中，施加氧化劑后納米氧化鐵釋放的Fe3+較難被還原成Fe2+，不能有效活化過硫酸鹽，同時也降低了其催化性能，導(dǎo)致去除效果較差。此外，有研究表明，PAHs由于其自身性質(zhì)易被土壤吸附而難以被洗脫，在氧化處理PAHs污染土壤的過程中，污染物在土壤有機(jī)質(zhì)或固體顆粒物上的吸附直接影響其氧化速率[23]。本研究中納米氧化鐵極強吸附PAHs的能力會阻礙過硫酸鈉的氧化速率，這也是PAHs含量高的一個重要因素。

不同處理下土壤中PAHs的去除率見表2。CK通過自然衰減，PAHs去除率達(dá)到4.4%；處理6對PAHs的去除效果最好，去除率可達(dá)32.9%。處理1～7對土壤中低環(huán)PAHs的去除效果優(yōu)于高環(huán)。不同環(huán)數(shù)的PAHs分子結(jié)構(gòu)不同[24]，能與氧化劑發(fā)生不同的反應(yīng)，低環(huán)PAHs在土壤中易揮發(fā)和分解，而高環(huán)PAHs的脂溶性較強，容易被土壤顆粒吸附，在土壤中的殘留度高，較難去除[25]，且苯環(huán)越多，分子量越大，越不易被降解。本研究與黎舒雯等[26]的研究結(jié)果一致。

2.2 不同處理對小白菜中PAHs及其去除率的影響

由圖2可見：各處理小白菜地下部和地上部中PAHs含量呈現(xiàn)相同規(guī)律；處理1～7小白菜中PAHs均低于CK；處理6小白菜中PAHs最低，地下部和地上部PAHs分別為783、348 μg/kg。處理4和處理6、處理5和處理7之間小白菜中PAHs含量均存在顯著差異，說明相同施加量的納米氧化鐵與不同的氧化劑聯(lián)合使用的效果是不同的，過硫酸鈉處理效果比H2O2差。處理1～3中，隨納米氧化鐵施加量的降低，小白菜中PAHs顯著升高。焦海華等[27]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中PAHs含量高，蔬菜中PAHs含量也增加。本研究與此研究結(jié)果一致。

表2 不同處理下土壤中PAHs的去除率

小白菜地下部中PAHs高于地上部，這是由于在根毛細(xì)胞的作用下，土壤中PAHs進(jìn)入植株，一部分進(jìn)入植株地上部的莖葉中，另一部分保留在植株的根部并不斷積累，土壤中PAHs被植株吸收后主要富集在植物根部。尹春芹等[28]發(fā)現(xiàn)，蔬菜根和莖葉中的PAHs濃度低于土壤中，且根部積累PAHs的濃度顯著高于莖葉中，與本研究結(jié)果一致。

與CK相比，不同處理下小白菜中PAHs的去除率見表3。處理6中PAHs降低最明顯，小白菜地下部和地上部去除率分別為38.8%和38.9%；處理4、5對小白菜中PAHs的去除率最低；處理1～3中，隨納米氧化鐵施加量的減少，小白菜中PAHs的去除率降低。小白菜中高環(huán)PAHs的去除率總體高于低環(huán)，這可能是由于小白菜中PAHs多以富集低環(huán)PAHs為主，高環(huán)PAHs只占極少部分，因此小白菜中高環(huán)PAHs去除率相對高。

2.3 不同處理對小白菜生長的影響

由圖3可知，處理4、5的小白菜生長較差，株高和生物量均最低。這可能是由于過硫酸鈉與土壤中PAHs發(fā)生氧化還原反應(yīng)的同時與土壤中有機(jī)質(zhì)也發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤的綜合肥力下降[29]，導(dǎo)致小白菜的生長狀況較差。李紅兵[30]研究表明，施加過硫酸鈉后氧化產(chǎn)生的硫酸鹽嚴(yán)重阻礙了黑麥草種子的萌發(fā)，且在黑麥草生長過程中，其生物量與氧化前相比沒有明顯增加。

處理6、7的小白菜長勢比處理4、5好，可能是由于研究區(qū)土壤pH為5.6，在酸性條件下H2O2反應(yīng)產(chǎn)生的·OH會氧化降解有機(jī)污染物。楊志峰等[31]研究表明，土壤中芘濃度越高，辣椒的株高和生物量越低。因此，施加H2O2降低土壤中PAHs后有利于小白菜的生長。

處理1～3中，隨納米氧化鐵施加量減少，小白菜株高和生物量均降低。表明納米氧化鐵施加量的減少，土壤中PAHs提高，進(jìn)入小白菜內(nèi)的PAHs升高，小白菜生長變差。邢維芹等[32]研究表明，PAHs對冬小麥地上部的生長有影響。劉秀梅等[33]發(fā)現(xiàn)，納米氧化鐵能促進(jìn)鐵在植株內(nèi)由根部到地上部的移動，有助于新生葉片對鐵的吸收和利用，促進(jìn)花生生長。這也是施加納米氧化鐵后，處理1～3小白菜生長均好于CK的原因之一。

圖2 不同處理下小白菜中PAHs質(zhì)量濃度Fig.2 Mass concentration of PAHs in the pakchoi under different treatments

表3 不同處理下小白菜中PAHs的去除率

圖3 不同處理下小白菜的株高及生物量Fig.3 Plant height and biomass of pakchoi under different treatments

表4 不同處理下小白菜地上部中PAHs的ILCRs

2.4 不同處理對健康風(fēng)險的影響

由表4可見：處理1～3中，隨納米氧化鐵施加量減少，ILCRs升高；處理6更有利于降低小白菜地上部的潛在致癌風(fēng)險，男性兒童、男性青少年、男性成年人、男性老年人、女性兒童、女性青少年、女性成年人、女性老年人的ILCRs分別為1.04×10-6、0.78×10-6、4.38×10-6、0.90×10-6、1.08×10-6、0.70×10-6、3.97×10-6、0.78×10-6，而處理4對小白菜地上部潛在致癌風(fēng)險降低程度較??；處理1～7中ILCRs均低于CK；成年人ILCRs遠(yuǎn)高于其他年齡段。一般認(rèn)為，終身致癌風(fēng)險低于10-6被認(rèn)為沒有風(fēng)險或風(fēng)險可忽略，10-6～10-4則被認(rèn)為存在潛在風(fēng)險[34]。經(jīng)處理1和處理6修復(fù)后，小白菜地上部中PAHs對青少年和女性老年人的潛在致癌風(fēng)險不再存在。

3 結(jié) 論

(1) 處理6對土壤、小白菜中PAHs的去除效果最好，土壤中PAHs去除率可達(dá)32.9%，小白菜地下部和地上部PAHs去除率分別為38.8%和38.9%。土壤中低環(huán)PAHs的去除率高于高環(huán)PAHs，小白菜中高環(huán)PAHs的去除率總體高于低環(huán)。

(2) 納米氧化鐵和過硫酸鈉聯(lián)合修復(fù)對小白菜生長存在抑制作用，小白菜的株高和生物量均較低。

(3) 成年人ILCRs遠(yuǎn)高于其他年齡段。經(jīng)處理1和處理6修復(fù)后，小白菜地上部中PAHs對青少年和女性老年人的潛在致癌風(fēng)險不再存在。