外源添加作物秸稈對(duì)PAHs污染土壤有機(jī)碳礦化和污染物降解的影響①

李 力，陳明茹，張久紅，張 軍，黃應(yīng)平，袁 喜，李 萌*

外源添加作物秸稈對(duì)PAHs污染土壤有機(jī)碳礦化和污染物降解的影響①

李 力1,2，陳明茹1,2，張久紅3，張 軍3，黃應(yīng)平1,2，袁 喜1,2，李 萌1,2*

(1 三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，湖北宜昌 443002；2 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心(三峽大學(xué))，湖北宜昌 443002；3 宜昌市森林資源監(jiān)測(cè)站，湖北宜昌 443000)

本文通過土壤腐解試驗(yàn)研究外源添加水稻或玉米秸稈對(duì)多環(huán)芳烴(PAHs)污染土壤CO2-C釋放和污染物去除率的影響，同時(shí)清晰秸稈腐解中間產(chǎn)物溶解性有機(jī)碳(DOC)與土壤PAHs降解的關(guān)系。結(jié)果表明：秸稈添加處理促進(jìn)了PAHs污染土壤CO2-C的釋放，以玉米秸稈提升效果較好。外源添加秸稈顯著增加了土壤DOC含量，且增加幅度隨秸稈添加量的增加而增大；水稻秸稈對(duì)土壤DOC含量的提升幅度較大。與對(duì)照相比，秸稈添加處理下土壤菲、芘殘留量均顯著降低，菲、芘去除率顯著增加，去除效果：玉米>水稻，高量>低量，菲>芘；與對(duì)照相比，添加高量玉米秸稈處理(PY15)對(duì)土壤菲、芘去除率的增加幅度分別為91.7% 和182%。此外，在一定范圍內(nèi)土壤DOC含量與PAHs去除率呈正相關(guān)關(guān)系?？梢?，農(nóng)作物秸稈，尤其是玉米秸稈添加可提升PAHs污染土壤有機(jī)碳礦化，亦可在提升土壤DOC含量的同時(shí)促進(jìn)污染土壤PAHs的降解。

秸稈腐解；有機(jī)碳礦化；可溶性有機(jī)碳；PAHs去除率

隨著能源需求量的增加，化石燃料或生物質(zhì)燃燒導(dǎo)致多環(huán)芳烴(PAHs)污染日趨嚴(yán)重，由此對(duì)周邊農(nóng)田土壤質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅。全國土壤污染調(diào)查結(jié)果表明，PAHs是造成我國土壤污染最主要的有機(jī)污染物之一[1]。其具有強(qiáng)烈的致癌、致畸和致突變效應(yīng)，可在植物組織中累積并進(jìn)入食物鏈循環(huán)[2-3]。因此，尋求能夠促進(jìn)土壤PAHs降解的技術(shù)或方法成為眾多研究關(guān)注的焦點(diǎn)。與物理或化學(xué)修復(fù)相比，生物修復(fù)是去除土壤PAHs最具潛力和經(jīng)濟(jì)有效的方法[4-5]。其中，生物刺激法通過改變微生物的棲息環(huán)境使其更利于微生物繁殖和生長，進(jìn)而促進(jìn)PAHs降解。C、N、P等營養(yǎng)元素是微生物生長所必需的礦質(zhì)元素，研究表明，外源添加碳源和氮源能夠通過促進(jìn)共代謝提升PAHs的降解[6-7]。然而，PAHs水溶性低、吸附力強(qiáng)及分配和滯留等特性導(dǎo)致其生物有效性較低，有效降解較為困難[8]。

農(nóng)業(yè)廢棄物是一類經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保的有機(jī)材料，可增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，疏松土壤，增強(qiáng)孔隙度，降低容重，促進(jìn)土壤微生物活性[9-11]。有研究表明，農(nóng)業(yè)廢棄物能夠提升土壤質(zhì)量，增加烴類化合物的去除率[12]。而作物秸稈腐熟過程產(chǎn)生的大量可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)，亦可促進(jìn)重金屬由可提取態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)的轉(zhuǎn)變，從而降低其有效性；還能抑制土壤對(duì)重金屬離子的吸附固定，促進(jìn)螯合物的形成，增加植物對(duì)重金屬離子的吸收[13-15]。此外，土壤DOC含量與土壤PAHs降解之間亦存在一定的相關(guān)性[1]?？梢?，秸稈腐解過程中間產(chǎn)物會(huì)影響土壤污染物的遷移和吸收，從而影響污染物的去除率。

我國秸稈年產(chǎn)量達(dá)8億t以上，秸稈富含大量C、N等營養(yǎng)元素及有機(jī)物質(zhì)，為避免資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，近年來有關(guān)秸稈再利用的研究備受關(guān)注[16]。其中，秸稈還田是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)改革后資源可持續(xù)及高效利用的重要方式之一。研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈可作為有機(jī)肥施入土壤，通過微生物群落與污染物降解之間的鄰近相關(guān)性成功去除土壤PAHs[17]。此外，小麥秸稈和牛糞復(fù)合堆肥亦被證實(shí)可顯著降低土壤菲含量，促進(jìn)PAHs分解微生物的代謝活性[18]。然而，不同作物秸稈碳氮比(C/N)不同，使得其加入土壤后礦化/腐解速率不盡相同，進(jìn)而影響其對(duì)PAHs的去除效果。

本文采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究在控制溫度和土壤水分含量條件下不同作物秸稈及添加量對(duì)PAHs污染土壤碳礦化、DOC含量和PAHs降解的影響，以期為農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)利用及土壤PAHs降解措施的探尋提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，分別為：只添加PAHs(菲和芘，記為P)、添加低量玉米秸稈(Y5)、添加高量玉米秸稈(Y15)、添加低量水稻秸稈(S5)、添加高量水稻秸稈(S15)、添加PAHs+低量玉米秸稈(PY5)、添加PAHs+高量玉米秸稈(PY15)、添加PAHs+低量水稻秸稈(PS5)、添加PAHs+高量水稻秸稈(PS15)，每個(gè)處理重復(fù)3次。秸稈的用量為10和30 g/kg，菲和芘的添加量均為200 mg/kg，純度為98%(Sigma–Aldrich，中國)。

1.2 培養(yǎng)方法

采用室內(nèi)模擬恒溫(25 ℃)培養(yǎng)的方法。試驗(yàn)土壤采自三峽大學(xué)植物園，土壤的基本理化性質(zhì)為：砂粒含量32%，粉粒含量57%，黏粒含量11%，土壤pH 7.41，土壤有機(jī)質(zhì)2.79 g/kg，全氮316 mg/kg，全磷445 mg/kg。具體操作如下：將500 g風(fēng)干過篩土(2 mm)置于直徑11.5 cm、高15 cm的帶蓋硬質(zhì)塑料圓瓶中，添加PAHs時(shí)，先將其溶于少量丙酮，倒入盆中與土壤攪拌混勻，放置過夜待丙酮揮發(fā)。

玉米和水稻秸稈經(jīng)清洗、烘干和粉碎處理后先與培養(yǎng)土混勻。培養(yǎng)過程中保持田間持水量的70%。為了收集培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的CO2，將裝有30 ml 1 mol/L NaOH 溶液的50 ml 燒杯固定在培養(yǎng)瓶內(nèi)側(cè)，之后將培養(yǎng)瓶加蓋密封，放置在恒溫培養(yǎng)箱中。在培養(yǎng)開始第2、4、7、10、16、22、28、38和48天測(cè)定CO2的釋放量，每次測(cè)定完后換入新的NaOH溶液并用稱量法補(bǔ)充所損失的水分。

1.3 指標(biāo)測(cè)定和分析

稱取5 g土壤樣品放入玻璃離心管中，加入5 g無水硫酸鈉后再加入10 ml二氯甲烷，超聲30 min后離心10 min(3 000 r/min)，將上清液倒入圓底燒瓶，如此重復(fù)3次。之后將盛有收集液的圓底燒瓶放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀至少于1 ml后倒入已活化好的層析柱中，之后一次性倒入70 ml正己烷和二氯甲烷(4︰7，/)的混合液沖洗柱子，洗脫液收集至圓底燒瓶后再次放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸至快干后用氮吹儀吹干，最后用液相流動(dòng)相溶解定容至2 ml。該溶液經(jīng)微膜過濾(0.22 μm)后置于高效液相色譜儀(HPLC，Waters 2695)專用測(cè)樣瓶中待測(cè)。PAHs測(cè)定所用的色譜柱為PAHs專用色譜柱，根據(jù)PAHs保留時(shí)間定性，PAHs標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，樣品重復(fù)間PAHs濃度的變異系數(shù)<10%，PAHs加標(biāo)回收率為78.1% ～ 108.3%。測(cè)定條件如表1所示。

土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量的測(cè)定：稱取2 g風(fēng)干過篩土壤樣品，加入20 ml 超純水，25 ℃ 振蕩18 h經(jīng)離心、過濾后通過TOC分析儀(Multi N/C 3000)進(jìn)行測(cè)定。

表1 HPLC的測(cè)定條件設(shè)置

CO2-C礦化速率的計(jì)算公式如下[19]：

C或CO2(mg)=(B–S)××

式中：B為滴定空白所用的HCl體積(ml)，S為滴定樣品所用的HCl體積(ml)，為HCl的濃度(mol/L)，為權(quán)重(CO2-C=6，CO2=22)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行了處理間的方差分析，均值之間的多重比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)，差異顯著性水平為<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈添加對(duì)PAHs污染土壤碳礦化的影響

各處理秸稈腐解過程中土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致，均在秸稈腐解的第2 ～ 4天出現(xiàn)CO2-C釋放速率峰值；CO2-C礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間延長而逐漸下降，并在秸稈腐解18 d后趨于穩(wěn)定(圖1)。只添加PAHs處理(P)土壤在培養(yǎng)過程中CO2-C礦化速率始終處于最低值，且隨時(shí)間波動(dòng)較??；低量水稻秸稈添加處理(PS5和S5)下CO2-C礦化速率顯著低于其他秸稈添加處理；玉米秸稈+PAHs處理下CO2-C的礦化速率高于單純添加玉米秸稈，而水稻秸稈與此相反。

圖1 秸稈腐解過程中CO2-C的礦化速率

由培養(yǎng)過程中CO2-C累積釋放量結(jié)果可見，各處理CO2-C累積釋放量的變化趨勢(shì)一致，均隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而增加(圖2)；在0 ～ 10 d內(nèi)，各處理CO2-C累積釋放量急劇增加，后逐漸趨于平緩；添加秸稈處理下CO2-C累積釋放量明顯增加；除添加高量水稻秸稈(S15)處理外，秸稈+PAHs組合處理下CO2-C累積釋放量高于單獨(dú)添加秸稈處理；此外，無論添加量高低，玉米秸稈添加后土壤CO2-C累積釋放量均高于水稻秸稈。

圖2 秸稈腐解過程中CO2-C的累積釋放量

2.2 秸稈添加對(duì)土壤DOC含量的影響

土壤DOC含量受秸稈添加量的影響較大(圖3)。與對(duì)照(P)相比，秸稈添加提升了土壤DOC含量；高量秸稈添加處理較低量秸稈對(duì)土壤DOC含量的提升幅度更大；其中，高量玉米、水稻秸稈對(duì)土壤DOC含量的提升幅度分別為51.8% 和52.8%；此外，水稻秸稈添加處理土壤DOC含量均高于玉米秸稈。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

2.3 秸稈添加對(duì)土壤PAHs含量和去除率的影響

與對(duì)照相比，秸稈添加處理顯著降低了土壤菲和芘的殘留量，且土壤菲、芘殘留量隨秸稈添加量的增加而顯著降低(圖4)。此外，同一添加量水平下，玉米秸稈添加對(duì)土壤菲、芘殘留量的降低幅度更大。其中，高量玉米秸稈添加處理(PY15)較對(duì)照對(duì)土壤菲、芘殘留量的降低幅度分別為39.3% 和21.8%。

土壤菲、芘去除率在秸稈添加后明顯增加，且提升幅度隨秸稈添加量的增加而增大(圖5)。玉米秸稈對(duì)菲、芘去除的效果更好，其中，添加高量玉米秸稈處理(PY15)對(duì)土壤菲、芘去除率的增加幅度分別為91.7% 和182%。

圖4 不同作物秸稈和添加量對(duì)土壤PAHs殘留量的影響

圖5 不同作物秸稈和添加量對(duì)土壤PAHs去除率的影響

2.4 土壤PAHs去除率和DOC含量的相關(guān)性

土壤PAHs去除率隨土壤DOC含量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)(圖6)。當(dāng)土壤DOC含量低于0.20 g/kg時(shí)，土壤PAHs去除率與DOC含量呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)土壤DOC含量高于0.20 g/kg后，土壤PAHs去除率反而降低。

3 討論

本研究48 d培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在PAHs污染土壤中添加玉米秸稈后土壤中有機(jī)碳的礦化速率高于單純加PAHs或單純添加玉米秸稈的處理(圖1)。由此可見，玉米秸稈的添加能夠促進(jìn)PAHs污染土壤中有機(jī)碳的礦化。其原因可能是：土壤中存在的PAHs亦為一種有機(jī)物，其降解的最終產(chǎn)物為CO2和H2O，玉米秸稈加入土壤后，引發(fā)了正激發(fā)效應(yīng)，在微生物暴增的同時(shí)促進(jìn)了土壤中有機(jī)物的礦化，包括玉米秸稈和PAHs的共降解，從而增加了CO2釋放速率和釋放量。然而，外源有機(jī)物料的加入也可能會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化作用的減緩，即產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)[20]。負(fù)激發(fā)效應(yīng)主要發(fā)生在高C/N、低微生物活性和酶活及吸附作用強(qiáng)的土壤上[21]。而本試驗(yàn)在開始時(shí)加入了一定量的氮肥，從而降低了土壤的C/N，且試驗(yàn)一直在恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行(25 ℃)，保證了微生物的活性。盡管如此，本研究中水稻秸稈的添加并未增加PAHs污染土壤的有機(jī)碳礦化速率，其原因可能是本試驗(yàn)所用水稻秸稈為水稻成熟期剛收獲的秸稈，其木質(zhì)化程度較高，不易被微生物礦化和利用。

圖6 土壤PAHs去除率與土壤DOC的相關(guān)性

生物刺激法是最為廣泛使用的PAHs污染土壤的微生物修復(fù)方法[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，外源添加秸稈能夠促進(jìn)菲和芘的降解，但是不同作物秸稈和添加量對(duì)土壤PAHs殘留量和去除率的影響不盡相同。同時(shí)，不同環(huán)數(shù)PAHs對(duì)各處理的響應(yīng)亦不同(圖4、圖5)。Han等[7]研究了不同農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)土壤PAHs消耗和PAHs降解基因的影響，結(jié)果表明不同農(nóng)業(yè)廢棄物的添加均增加了微生物對(duì)PAHs的消耗，而土壤介質(zhì)中合適的C/N可能是影響微生物對(duì)PAHs降解程度的重要因素。本研究中所用玉米秸稈和水稻秸稈的C/N不同，而添加量的不同也會(huì)直接影響基質(zhì)中的C/N，因此導(dǎo)致了PAHs去除效果的不同。此外，諸如玉米秸稈類的農(nóng)業(yè)廢棄物含有大量的纖維素和木質(zhì)素，可作為烴類微生物的生長基質(zhì)，這些微生物產(chǎn)生的高效酶促進(jìn)了烴類化合物的生物降解[9, 23]。研究表明，與土壤中PAHs降解密切相關(guān)的微生物群落包括變形菌門、放線菌門及鞘脂單胞菌屬、溶桿菌屬和交替赤桿菌屬等[24-26]。而農(nóng)業(yè)廢棄物(如秸稈類)正是有效地提高了此類PAHs降解細(xì)菌的豐度，同時(shí)亦改變了真菌的群落結(jié)構(gòu)[7,9]。此外，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈添加對(duì)菲的降解效果優(yōu)于芘，可見秸稈對(duì)PAHs的降解效果亦受PAHs自身物理化學(xué)特性(如苯環(huán)數(shù))的影響。

秸稈類有機(jī)物質(zhì)除了對(duì)微生物活性的提升，其自身在腐解過程中會(huì)產(chǎn)生大量可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)。本文研究結(jié)果表明，秸稈添加能夠提升土壤可溶性有機(jī)碳含量(圖3)，且在一定范圍內(nèi)，土壤DOC含量與PAHs去除率呈正相關(guān)關(guān)系(圖6)。研究證實(shí)DOM能夠通過NH-π以及π-π間的相互作用與PAHs形成復(fù)合物，從而增加PAHs的擴(kuò)散[27]；同時(shí)，土壤DOC含量被證實(shí)與有機(jī)酸溶性PAHs呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤DOC能夠促進(jìn)PAHs的生物降解[1, 28]。此外，土壤DOC含量與PAHs降解細(xì)菌和真菌的豐度亦呈顯著正相關(guān)關(guān)系[9]?？梢姡r(nóng)作物秸稈，無論是其自身還是腐解中間產(chǎn)物DOM均對(duì)土壤PAHs降解具有促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

外源添加玉米秸稈能夠促進(jìn)PAHs污染土壤中有機(jī)碳的礦化，且添加量越大，礦化速率越大，但水稻秸稈對(duì)有機(jī)碳的礦化速率影響不大；秸稈添加能夠明顯降低土壤PAHs殘留量，從而提高污染土壤PAHs去除率，且玉米秸稈對(duì)PAHs的降解效果優(yōu)于水稻秸稈，而本試驗(yàn)條件下秸稈添加量越大，PAHs去除率越高；此外，秸稈添加能夠提升土壤DOC含量，秸稈添加量越大DOC含量越高，而玉米秸稈腐解過程可產(chǎn)生更多DOC，且在一定范圍內(nèi)，土壤DOC含量與PAHs去除率呈正相關(guān)關(guān)系。

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Effect of Straw Addition on Organic Carbon Mineralization and Pollutant Degradation in PAHs Contaminated Soil

LI Li1,2, CHEN Mingru1,2, ZHANG Jiuhong3, ZHANG Jun3, HUANG Yingping1,2, YUAN Xi1,2, LI Meng1,2*

(1 College of Biology and Pharmacy, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China; 2 Engineering Research Center of Eco-Environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China; 3 Forest Resources Monitoring Station, Yichang, Hubei 443000, China)

A soil incubation experiment was conducted to investigate the effect of corn or rice straw addition on CO2-C release and pollutant removal in polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contaminated soil, and examine the relationship between soil dissolved organic carbon (DOC) and PAHs degradation. The results show that the release of CO2-C is increased by straw added treatment in PAHs polluted soil, and the effect of corn straws is better. Soil DOC concentration is significantly increased by straw supplement, and the increase amplitude is further improved by the increasing level. Compared to corn straws, rice straws cause the higher level of soil DOC. Meanwhile, soil residual PAHs concentrations are significantly decreased by straw added treatments compared with CK, and the removal rate of pollutants is correspondingly increased. The removal efficiency follows as: corn straw better than rice straw, high addition rate better than low level, phenanthrene better than pyrene. Compared to CK, the removal rate of phenanthrene and pyreneare respectively increased by 91.7% and 182% with high level of corn straw addition. In addition, soil DOC concentration is positively correlated with the removal rate of PAHs in a certain range. Consequently, high addition amount of corn straws can promote soil organic carbon mineralization, increase soil DOC concentration and the degradation of PAHs in PAHs polluted soils.

Straw decomposition; Organic carbon mineralization; Dissolved organic carbon; PAHs removal rate

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.05.024

李力, 陳明茹, 張久紅, 等. 外源添加作物秸稈對(duì)PAHs污染土壤有機(jī)碳礦化和污染物降解的影響. 土壤, 2022, 54(5): 1058–1063.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42107441,21972073)、宜昌市森林撫育效益監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(SDHZ2020313)和111引智項(xiàng)目(D20015)資助。

(renyaxi520@126.com; chem_ctgu@126.com)

李力(1998—)，男，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事有機(jī)污染物降解及資源化利用研究。E-mail: 2425420181@qq.com