蚯蚓对PAHs污染土壤植物修复的强化效应研究

【摘要】： 多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是环境中普遍存在的一类持久性有机污染物,水溶性差、化学性质稳定,主要由工业生产中有机材料的不完全燃烧产生,具有强烈的“三致”效应。随着工农业的发展,PAHs在土壤中呈不断累积的趋势。土壤中PAHs可以由植物根系吸收进入植物体,并通过食物链在人体中富集,严重危害了土壤生态安全和农产品质量。土壤PAHs污染修复已成为环境领域的热点和难点问题。其中,利用植物修复(phytoremediation)安全有效的去除土壤PAHs污染受到了众多学者的关注。目前,大量研究探讨了耐性植物对PAHs降解的促进作用,而结合土壤动物对土壤-植物系统PAHs降解效果的强化作用却鲜见报道。 蚯蚓,作为典型的土壤动物,被称之为“改良土壤的能手”。有研究证实蚯蚓一方面可以改善土壤结构和肥力、促进植物根系生长,另一方面可通过体外分泌物和蚓粪提高土壤微生物的数量和活性,从而促进土壤污染物的降解。蚯蚓已被成功运用于城市生活垃圾、营养盐类、重金属污染的修复中。为了解蚯蚓对土壤-植物系统中PAHs降解的促进作用,探索蚯蚓对土壤PAHs污染的修复效应,本文以非、芘作为多环芳烃的代表物,人工模拟不同污染水平土壤,进行了一系列培养和盆栽实验,主要研究(1)不同植物对土壤PAHs污染修复效果的种间差异,优选高效修复植物。(2)蚯蚓在PAHs污染土壤中的耐受性。(3)蚯蚓对土壤-植物系统中PANs降解的强化效应。主要结果如下: 1.黑麦草(Loliunmulti florum.L)、甘监(Brassica oleracea L.)、苏丹草(Sorghum vulgare L)、白三叶(Trrifolium repens L)、紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、油菜(Brassica campestris L.)均能在80 mg.kg~(-1)菲、芘污染土壤中正常生长。不同植物对菲、芘的耐受性不同。种植植物60d后,菲能促进大部分植物生长,添加菲的土壤处理中黑麦草、甘蓝、苏丹草、白三叶、紫花苜蓿单株总生物量(干重)分别较未添加菲的对照处理高31%、41.82%、36.02%、13.86%、25.83%,仅油菜单株总生物量下降6.43%;芘能抑制大部分植物生长,添加芘的土壤处理中甘监、苏丹草、白三叶、紫花苜蓿、油菜单株总生物量分别较未添加芘的对照处理低4.83%、13.94%、6.44%、38.39%、51.46%,仅黑麦草单株总生物量(干重)增加62.21%。菲、芘对6种供试植物生长过程中干物质在地上、地下的分配未产生明显影响(n=25,P＞0.05),其中苏丹草的根冠比最大,大约为0.3。 2.在80 mg·kg~(-1)菲、芘污染土壤中,供试6种植物对土壤菲、芘降解均有明显促进作用。经过60d的植物种植,未种植植物的对照处理中菲、芘降解率仅为23.01%和17.78%。种植了黑麦草、甘蓝、苏丹草、白三叶、紫花苜蓿、油菜的污染土壤中菲的降解率分别高达62.7%、45.72%、76.25%、76.56%、57.8%、26.48%,较无植物对照处理高39.69%、22.71%、53.24%、53.55%、34.79%、3.47%。以苏丹草利白三叶修复效果最好;芘的降解率分别为47.8%、42.66%、65.26%、48.74%、46.55%、23.56%,较无植物对照处理高30.06%、24.88%、47.48%、30.96%、28.77%、5.78%,以苏丹草修复效果最好。相同污染水平下,菲降解率较芘高,说明芘较菲更难降解。 3.环毛蚓(Pheretima sp.)对PAHs污染有一定的耐受力。在0 mg.kg~(-1)-320 mg.kg~(-1)菲、芘污染土壤中,蚯蚓成活率100%,蚯蚓在非并污染水平下的生物浓缩系数(BCFs)为0.339、0.245、0.200、0.218、0.214,芘各污染水平下的BCFs为0.671、0.442、0.357、0.266、0.220。PAHs浓度越高,蚯蚓对其的生物浓缩系数越小。菲、芘对环毛蚓生长有一定的抑制作用,与未添加菲、芘的对照处理相比,蚓鲜重分别下降7.09%-25.19%、6.79%-27.83%。随着土壤中PAHs浓度增加,环毛蚓蚓鲜重下降,呈负相关关系。本实验中,蚯蚓对土壤系统中菲、芘降解有一定的促进作用,但作用效果不显著(n=15,p＞0.05)。在0mg.kg~(-1)-320 mg.kg~(-1)菲、芘污染土壤中,接种蚯蚓处理中菲、芘降解率分别较未接种蚯蚓处理高0.76%-3.32%和0.45%-2.24%,随着污染物浓度的增加,蚯蚓对菲、芘降解的促进作用减小。 4.在土壤-苏丹草系统中,相同菲、芘污染水平下,蚯蚓活动促进了苏丹草生长,接种蚯蚓处理苏单草生物量较未接种蚯蚓处理分别高14.41%-25.91%和14.39%-23.9%;蚯蚓通过促进苏丹草生长、提高植物根际微生物活性,强化了植物列PAHs污染土壤的修复效果:接种蚯蚓的污染土壤处理中菲、芘残留浓度低于未接种蚯蚓;接种蚯蚂蚓处理中菲、芘降解率较未接种蚯蚓处理分别高4.20%-9.76%和3.69%-9.38%。蚯蚓活动对菲、芘降解的促进作用与苏丹草生长的旺盛程度呈正相关。接种蚯蚓提高了土壤脲酶、多酚氧化酶的活性,菲、芘各污染水平下的脲酶和多酚氧化酶活性较未接种蚯蚓处理分别高3.88%-11.59%和2.15%-6.90%,多酚氧化酶活性分别高1.91%-7.61%和2.29%-3.41%;在接种蚯蚓的污染土壤处理和未接种蚯蚓的污染土壤处理中,脲酶和多酚氧化酶的活性受PAHs初始浓度的影响,酶活性随PAHs浓度增加呈幂函数降低。