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PAHs污染土壤植物修复机理研究

Sardar Alam Cheema  
【摘要】: 过去几个世纪以来,人口的迅速增长、矿产的开采、工业化进程的加快等原因,使得土壤环境遭受了严重污染。多环芳烃(Polycyclic AromaticHydrocarbons,PAHs)是一类广泛分布于土壤环境中的持久性有机污染物,对全球的农产品质量和人体健康构成威胁。因此,对被PAHs污染的土壤进行修复势在必行。相比较传统修复技术而言,植物修复技术是一种极具潜力的土壤有机污染物修复技术,成本低,且对环境友好。实验室研究表明,植物修复技术可以显著促进土壤中PAHs的去除,但较为深入的机制并没有得到很好的阐述。虽然植物修复技术相对于其他修复技术具有许多优势之处,但是,由于PAHs较低的水溶性以及土壤颗粒对其具有强吸附性,土壤植物修复的效率始终受到限制。 在本论文中,我们考察了不同植物及其组合对PAHs的去除效率,研究了PAHs在高羊茅根际的去除机理,同时,通过添加表面活性剂强化修复PAHs污染土壤实验,研究了表面活性剂对PAHs去除效率的影响,本论文的相关试验结果可为植物修复技术在PAHs污染土壤中的实际应用提供理论基础。本研究成果可归纳如下。 (1)考察了四种植物(高羊茅,黑麦草,紫花苜蓿和甘蓝型油菜)单一盆栽种植或组合种植对PAHs添加污染土壤的植物修复效率。经过65天的植物生长后,测定植物生物量、脱氢酶等参数。结果表明,所添加浓度下PAHs对所有植物的生长均具有一定的抑制作用,其中对苜蓿生长抑制作用最为明显,相对于无PAHs添加对照植物生物量减少35%,油菜对PAHs表现出最大的耐性。相对于无植物对照,种植植物后土壤中水溶性酚显著提高,含量达到3.71-5.63 ug g~(-1),分别比对照高出1.05-1.68倍。植物盆栽处理也提高了土壤的脱氢酶活性。相对于无植物对照,植物处理强化了土壤中PAHs的去除。各植物对PAHs的去除率有所差异,油菜处理PAHs去除率最高(菲和芘去除率分别为98%和86%),其次是黑麦草和高羊茅,苜蓿去除率最低,菲和芘去除率分别为97%和79.8%。植物组合盆栽处理进一步提高了这种强化效果,高羊茅和油菜组合处理PAHs去除率最高,菲和芘去除率分别达到99.1%和95.7%。相关分析表明,不同的植物组合处理中土壤中的生物活性(脱氢酶活性和水溶性酚总量)与土壤中残余的菲、芘量之间具有非常好的负相关关系(P<0.01)。本节结果表明,采用这四种植物对PAHs污染土壤进行植物修复是可行的,不同植物组合栽培可进一步提高植物修复能力。 (2)添加不同浓度梯度的PAHs(菲,11-344 mg kg~(-1),芘15-335 mg kg~(-1)),较细致地考察了高羊茅对PAHs污染土壤的植物修复潜力。通过分析植物生物量、土壤微生物计数、脱氢酶活性、水溶性酚总量,微生物群落结构等参数,探讨了高羊茅修复土壤PAHs的可能机理。结果表明,较低浓度PAHs不影响植物的生物量,但是随着浓度升高,可观察到生物量明显降低,最高浓度下植物生物量减少至无PAHs添加对照的53.5%(茎)和29.7%(根)。相对于无植物对照,植物处理显著提高了微生物量,水溶性酚类物质量,脱氢酶活性,PAHs去除率显著提高。进一步分析PCR-DGGE结果,植物处理Shannon指数值为3.65-3.79,显著高于无植物处理(3.51-3.68),表明植物处理增加了土壤中的微生物群落结构多样性;同时本研究结果也显示,随着PAHs浓度升高,微生物群落结构多样性降低。植物处理65天后,土壤中菲的去除率为91.70-97.78%,芘的去除率为70.80-89.97%,相对于无植物处理,菲和芘去除率分别提高了1.88-3.19%和8.85-20.69%。综合以上结果分析,土壤中PAHs的去除可能是源于根际土壤生物活性的提高,从而使得PAHs的去除率显著提高。 (3)研究了高羊茅对菲和芘的吸收和累积,以考察其对根际PAHs去除效率的贡献。结果表明,对于菲和芘初始浓度分别为199.97 mg kg~(-1)和199.34 mg kg~(-1)的污染土壤,植物盆栽处理65天后,根吸收因子(Root concentration factors,RCFs)分别为0.33-0.46和0.56-1.21,茎吸收因子(shoot concentration factors,SCFs)分别为0.15-0.22和0.017-0.083。茎中的菲、芘累积主要来源于根部;尽管茎部也会从大气中吸收菲、芘,但从对照处理可见,菲、芘并没有从茎部向根部迁移。通过植物吸收累积途径去除的PAHs量占PAHs总去除量的0.10-1.42%(菲)和0.18-2.04%(芘)。由此说明,植物根际土壤中PAHs的主要去除途径是生物去除而不是植物吸收累积。本文的结果也表明,生长于PAHs污染土壤中的植物体中会累积一定量的污染物,因此,对于修复后的植物或生长于污染场地的农作物需妥善处理,以防止污染物进入食物链。 (4)采用盆栽试验方法,研究了添加非离子表面活性剂(Tween 80、Triton x-100),生物表面活性剂(大豆卵磷脂)以及随意甲基化-β-环糊精(RAMEB)四种表面活性剂对高羊茅修复PAHs(芘)污染土壤的影响。芘初始浓度为243 mgkg~(-1),不同表面活性剂添加浓度设置5个梯度,分别为0,200,600,1000和1500mg kg~(-1),同时,设置无植物、不添加表面活性剂及灭菌等对照处理,盆栽60天后收获植物进行植物生物量测试和PAHs残留分析。结果显示,相对于不添加表面活性剂对照,4种表明活性剂添加后均显著提高了植物生物量。在不遮光灭菌和遮光灭菌对照处理情况下PAHs损失量分别为3.9%和3.2%,证明根际土壤中的PAHs去除主要是生物降解作用,光解与挥发作用较小。相对于不添加表面活性剂对照,所有的表面活性剂均显著提高了芘的去除率。在种植植物情况下,RAMEB添加后芘的去除率强化作用最为明显,去除率为无RAMEB添加对照的1.40-1.80倍,其次是Triton x-10,芘去除率为无Triton x-10添加对照的1.34-1.66倍。表面活性剂强化PAHs的去除主要是因为增加了PAHs在土壤中的微生物可利用性。研究表明,添加表面活性剂能够提高PAHs污染土壤的植物修复效率。


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