多氯聯苯復合污染農田土壤的植物協同修復效應

孫向輝,滕 應,駱永明*,吳龍華,李振高(.中國科學院南京土壤研究所,土壤環境與污染修復重點實驗室,江蘇 南京 20008；2.中國科學院研究生院,北京 00049)

多氯聯苯復合污染農田土壤的植物協同修復效應

孫向輝1,2,滕 應1,駱永明1*,吳龍華1,李振高1(1.中國科學院南京土壤研究所,土壤環境與污染修復重點實驗室,江蘇 南京 210008；2.中國科學院研究生院,北京 100049)

采用田間微域試驗,初步研究了紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天在不同栽培模式下對多氯聯苯(PCBs)復合污染農田土壤的協同修復作用.結果表明,紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天混作對PCBs復合污染土壤的修復效果明顯高于紫花苜蓿單作,其中紫花苜蓿-海州香薷混作、紫花苜蓿-海州香薷-伴礦景天混作種植120d后,土壤中PCBs含量比紫花苜蓿單作時分別降低43.0%和47.8%,強化效果顯著.與紫花苜蓿單作相比,紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天混作可有效提高植株總生物量,增強植物對土壤中PCBs的吸收富集能力.土壤PCBs同系物分析結果表明,種植植物可有效降低土壤中低氯代PCBs含量,植物混作栽培模式可以促進高氯代PCBs組分向低氯代PCBs組分的轉變.可見,紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天混作對多氯聯苯復合污染農田土壤具有較好的協同修復作用.

多氯聯苯；農田土壤；混作；植物修復

Abstract：A field microzone experiment was carried out to study the co-remediation effect of PCBs contaminated farmland soils under different planting models for using three plant species, alfalfa( Medicago sativa L), Elsholtzia splendens and Sedum plumbizincicola. The results indicated that mixed croppings of alfalfa with Elsholtzia splendens or Sedum plumbizincicola could enhance PCBs removal in soils compared to the monoculture with alfalfa. About 43.0% of PCBs were removed from the soils in mixed cropping of alfalfa and Elsholtzia splendens at the end of the 120d experiment, and 47.8% in mixed cropping of three plants. The mixed croppings of alfalfa with Elsholtzia splendens or Sedum plumbizincicola could increase the total biomass of plants, facilitate the uptake and accumulation of the PCBs in plants. Analysis of PCBs composition showed that the planted treatments could decrease the concentration of lower chlorinated PCBs in soils, and multi-species phytoremediation could improve the transformation of higher chlorinated PCBs into lower chlorinated PCBs. The mixed croppings of alfalfa with Elsholtzia splendens or Sedum plumbizincicola show a good potential in the remediation of PCBs contaminated farmland soils.

Key words：PCBs；farmland soils；mixed cropping；phytoremediation

多氯聯苯(PCBs)污染農田土壤的生物修復已成為當今土壤環境科學技術領域的關注熱點[1-4].目前,治理此類污染土壤的生物方法主要有微生物修復、植物修復及其兩者的聯合修復,其中植物修復由于具有成本低、安全、無二次污染等優點,愈來愈受到人們的高度關注[5-7],如豆科植物紫花苜蓿已被廣泛用于PCBs污染土壤的植物修復技術中[8-9].

目前,多氯聯苯污染土壤的植物修復技術所采取的途徑多是種植單一的修復型植物.然而,作者前期研究表明,長江三角洲某PCBs典型污染區農田土壤中不僅存在PCBs污染,同時還存在一定程度Cu、Cd污染[10].土壤介質中的有機污染物可以與重金屬發生各種聯合作用,如協同、拮抗、相加等[11],從而影響植物對土壤中有機污染物的修復效率.有研究表明,不同植物對污染物的積累、代謝能力不同[12],如海州香薷對Cu具有較強富集能力[13]、伴礦景天被認為是一種鎘鋅超積累植物[14],而且,本課題組發現海州香薷和伴礦景天對于PCBs污染土壤也有一定的修復作用.對于PCBs復合污染土壤,是否可以通過上述幾種植物的混作栽培模式,在控制土壤中Cu、Cd污染的同時,進一步強化植物對PCBs污染土壤的修復效果,有關這方面的研究鮮見報道.鑒于此,本研究以長江三角洲某典型PCBs復合污染農田土壤為研究對象,擬選擇紫花苜蓿、海州香薷、伴礦景天作為修復植物,研究混作栽培模式下植物對PCBs復合污染農田土壤的協同修復效應,以期為研發PCBs復合污染土壤的植物修復技術提供依據.

1 材料與方法

1.1供試材料

供試植物:紫花苜蓿(Medicago sativa L),種子購于江蘇省農業科學院;海州香薷(E. splendens),種子采自浙江省諸暨銅礦區;伴礦景天(Sedum plumbizincicola),幼苗采自浙江淳安,通過扦插的方式培育新植株,在試驗區設置苗床,備用.

PCBs混合標準樣品(包括PCB8、PCB18、PCB28、PCB44、PCB52、PCB66、PCB77、PCB101、PCB105、PCB118、PCB126、PCB128、PCB138、PCB153、PCB170、PCB180、PCB195、PCB200、PCB206、PCB209)購自百靈威公司.丙酮、正己烷等有機溶劑均為分析純,重蒸后使用.硫酸為優級純,無水硫酸鈉為分析純.硅膠(100～200目)和無水硫酸鈉參照美國EPA測試方法3550B和3630C進行處理[15-16].

1.2試驗方案設計與實施

試驗在長江三角洲某典型PCBs復合污染的農田中進行,土壤類型為水稻土,成土母質為海相沉積物,系統分類屬鐵聚水耕人為土.供試土壤的PCBs濃度為300～339μg/kg,pH值為4.56,有機質含量為36.5g/kg,全氮、全磷、全鉀分別為2.10、 0.60和19.7g/kg.取該農田耕層土壤(0～20cm),去除植物根系、石礫等殘留物,拌勻,備用.考慮到供試土壤pH值偏低,而紫花苜蓿不宜在酸性土壤上生長[17],對部分供試土壤添加石灰處理,土壤拌勻后放置2d,調節后土壤pH值為5.66.

采取田間微域試驗設計,在該農田中放置無底的PVC圓筒(高度 30cm,直徑30cm,圓筒高出表層土壤10cm,防止桶內外物質互換),桶內加入供試土壤,得到本實驗的田間微域.田間微域試驗設6個處理,分別為對照(CK)、對照施石灰[CK(Ca)]、單種紫花苜蓿施石灰[A(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷混播施石灰[AE(Ca)]、紫花苜蓿+伴礦景天混播施石灰[AS(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷+伴礦景天混播施石灰[AES(Ca)],每處理設3次重復,隨機排列.紫花苜蓿和海州香薷以穴播方式播種,伴礦景天以扦插方式種植.試驗進行120 d后,采集植物樣品和土壤樣品,土壤樣品室溫風干,過60目篩,冷凍干燥后待測.植物樣品采集后,用蒸餾水洗凈,分成根、莖葉兩部分,其中伴礦景天由于為淺根系植物,僅采集地上部分,樣品用吸水紙擦干,50℃烘干稱重,粉碎待測.

1.3PCBs提取與分析

稱取樣品(土壤樣品10g,植物樣品2g)放入玻璃離心管,用30mL正己烷-丙酮提取液(V/V=1:1)浸提過夜后,25℃超聲提取15min, 1500rpm離心5min,收集提取液.再分別用20mL同樣的提取液超聲提取兩次,每次15min,合并3次提取液,旋轉蒸發至近干,加入5mL正己烷進行溶液替換,濃縮至2mL后轉入復合硅膠柱進行純化.復合硅膠柱(長250mm,內徑10mm) 內依次裝填硅膠、中性氧化鋁、酸性硅膠和無水硫酸鈉(W/W = 2:2:1:1).用10mL正己烷淋洗該柱,棄去淋洗液,然后加入處理后的樣品提取液,用25mL正己烷洗脫,洗脫液旋轉蒸發濃縮,用正己烷定容至5mL備測.

色譜條件:采用帶有電子俘獲檢測器和自動進樣器的Varian 3800型氣相色譜儀分析.色譜柱:CP-sil24CB (30m×0.25mm×0.25μm),進樣溫度為260,℃檢測器溫度為300.℃程序升溫:初始溫度為180,℃保留0.5min,30/min℃梯度升溫至260,℃持續l8min,然后15/min℃梯度升溫至270,℃持續2min.無分流進樣lμL,載氣為高純氮,流速為1.0mL/min.

質量控制:在樣品分析過程中進行方法空白、基質加標、平行樣以及加標回收測定.21種PCBs混標(10μg/kg)的基質加標平均回收率是71.97%～109.79%,相對標準偏差是3.13%～57.25%,儀器檢測限為1.43～5.10μg/kg,方法檢出限為1.33～3.45μg/kg.采用七點校正法得到標準物質的校正曲線,根據保留時間對目標化合物進行定性分析,采用峰面積積分法進行定量計算.

1.4土壤基本理化性質分析

土壤pH值為1:2.5土液比浸提,pH計測定;土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定;全氮含量采用半微量開氏法測定;采用HClO4-HF消解土壤,鉬銻抗比色法測定全磷含量,火焰光度計測定全鉀含量,具體方法參見魯如坤編《土壤農業化學分析方法》[18].

1.5數據統計分析

所有實驗數據用Microsoft Excel 2003和SPSS 14.0統計軟件實現.

2 結果與分析

2.1土壤中PCBs含量及組分變化

由圖1可見,與對照(CK)相比,添加石灰[CK(Ca)]]可以顯著降低土壤中PCBs含量,下降程度達24.9%,這可能是由于添加石灰可以增加土壤中微生物數量[19],從而增加土著微生物對PCBs的降解作用.與對照添加石灰[CK(Ca)]相比,種植紫花苜蓿+石灰[A(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷+石灰[AE(Ca)]、紫花苜蓿+伴礦景天+石灰[AS(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷+伴礦景天+石灰[AES(Ca)]均可以有效降低土壤中PCBs含量,下降程度分別為7.4%、19.9%、43.0%、47.8%,其中AS(Ca)和AES(Ca)處理與CK(Ca)處理之間達到顯著差異(P＜0.05).可見,紫花苜蓿單作可降低土壤中PCBs含量,這與Mehmannavaz等[8]研究結果相似.有研究表明,多種植物聯合種植對疏水性有機物PAHs的修復效果明顯超過單一植物[20-21].本研究發現,紫花苜蓿與其他植物混作可有效強化紫花苜蓿單作對PCBs污染土壤的修復效果,其中紫花苜蓿與伴礦景天混作栽培模式[AS(Ca)、AES(Ca)]強化效果最為顯著,這可能是由于試驗供試土壤為PCBs-重金屬復合污染土壤,伴礦景天作為一種鋅鎘超積累植物,可以有效降低土壤中鋅鎘含量[22],從而改善植物生長環境,促進植物及土壤中微生物的生長,提高其對土壤中PCBs的降解能力.

圖1 不同處理下土壤中PCBs含量及組分變化Fig.1 The concentration of PCBs congeners in soils under different treatments

從圖1可知,土壤中PCBs大部分以低氯組分(＜6 個氯原子的PCBs組分)為主,可占土壤中PCBs總量的78.7%以上.PCBs生物降解程度與氯原子數目有關,隨氯原子數目增多,PCBs的降解率下降[23-24].與對照(CK)相比,添加石灰處理[CK(Ca)]土壤中各氯代聯苯數量均有不同程度的下降,其中以二氯組分下降最為明顯,下降程度達51.4%.與對照添加石灰[CK(Ca)]相比,紫花苜蓿單作[A(Ca)]土壤中三氯、四氯組分有一定程度下降,但處理間無顯著差異,紫花苜蓿與海州香薷或伴礦景天混作[AE(Ca)、AS(Ca)、AES(Ca)]可顯著降低土壤中四氯、五氯及高氯組分(≥6 個氯原子的PCBs組分)含量,且紫花苜蓿與海州香薷混作[AE(Ca)]可極顯著增加土壤中三氯組分含量(P＜0.01).可見,對于PCBs復合污染土壤,紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天混作可促進土壤中四氯及以上PCBs組分向二氯、三氯PCBs組分的轉變,從而加強植物對土壤中PCBs的修復效應.

2.2植物各部位生物量變化

由表1可知,與紫花苜蓿單作[A(Ca)]相比,紫花苜蓿與伴礦景天混作[AS(Ca)]植物地上部總生物量并無發現明顯變化,但根部生物量略有降低,這可能與伴礦景天為淺根系植物,而本文中伴礦景天可收獲部分均按地上部計有關;紫花苜蓿與海州香薷混作[AE(Ca)]、紫花苜蓿與海州香薷和伴礦景天混作[AES(Ca)]極顯著增加植物地上部總生物量,但根部生物量無明顯變化,這可能與海州香薷生長速度快、生物量大、同時為良好的Cu耐性植物有關[25].總體來看,與紫花苜蓿單作相比,紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天混作,微域中植株總生物量仍有所提高.

表1 不同處理下植物地上部和根生物量變化Table 1 Biomass of the plant shoots and roots under different treatments

2.3植物各部位PCBs含量變化

植物對PCBs的直接吸收代謝是植物修復PCBs污染土壤的一個重要機制[26].由圖2可知,不同處理條件下,植物地上部PCBs含量范圍為121.9～149.9μg/kg,處理之間無顯著差異,植物根部PCBs含量范圍為70.5～168.4μg/kg,處理間差異顯著.總體來說,植物地上部PCBs含量略高于根部,這與Aslund等[27]、徐莉等[10]的報道結果相反.有研究表明,植物葉片對PCBs的富集與大氣顆粒物PM10中PCBs濃度呈正相關關系[28],大氣顆粒物沉降也是造成植物葉片中PCBs濃度積累的原因之一[29].通過對生育期內試驗區周邊大氣顆粒物PM10的采集和分析,我們發現生育期內該區大氣PM10中PCBs含量高達170.8ng/m3,由此推測,植物地上部PCBs的大量富集可能與大氣顆粒物的沉降有關.

從圖2還可看出,紫花苜蓿單作[A(Ca)]處理中紫花苜蓿根部PCBs含量最低,僅為70.5μg/kg.與紫花苜蓿單作[A(Ca)]相比,紫花苜蓿與海州香薷或伴礦景天混作[AE(Ca)、AS(Ca)、AES(Ca)],紫花苜蓿根部PCBs含量均極顯著增加,其中AE(Ca)和AES(Ca)處理紫花苜蓿根部PCBs含量分別增加119.0%和139.0%,極顯著高于AS(Ca)處理.不同處理條件下,海州香薷根部PCBs含量以三種植物混作[AES(Ca)]處理最高,極顯著高于AE(Ca)處理,且各處理中海州香薷根部PCBs含量均低于紫花苜蓿,其中AE(Ca)處理達極顯著水平.可見,紫花苜蓿較海州香薷和伴礦景天而言,對于疏水性有機物PCBs具有更強的吸收積累能力,這可能與植物本身的特性有關.有研究報道,紫花苜蓿為須根系豆科牧草植物,根系發達,根表面積大,從而更易大量吸附土壤中PCBs[30].同時,與紫花苜蓿單作相比,紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天混作可以有效提高植物根部對土壤中PCBs的吸收富集能力,這說明混作栽培模式下植物體對PCBs吸收積累能力的增強是其強化PCBs污染土壤修復的一個因素.Aslund等[31]的研究結果也表明,植物的直接吸收能夠顯著降低土壤中PCBs的濃度,是植物修復PCBs的作用機制之一.

圖2 不同處理下植株地上部與根部PCBs含量變化Fig.2 The concentration of PCBs in the plant shoots and roots under different treatments

3 結論

3.1紫花苜蓿單作可有效去除土壤中PCBs,與海州香薷、伴礦景天混作可明顯強化該修復效應,其中以3種植物混作強化效果最好,達到47.8%.

3.2與紫花苜蓿單作相比,紫花苜蓿與海州香薷、伴礦景天混作可提高植物總生物量,同時促進了植物對土壤中PCBs的吸收富集.

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致謝：本試驗的樣品采集和分析工作得到中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室涂晨、李秀芬、馬婷婷同學的幫助,試驗實施得到浙江省臺州市路橋區農林局梁啟智老師的幫助,在此表示感謝.

Combined phytoremediation effect of several plants in PCBs contaminated farmland soils.

SUN Xiang-hui1,2, TENG Ying1, LUO Yong-ming1*, WU Long-hua1, LI Zhen-gao1(1.Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2010,30(9)：1281～1286

X17;S154.36

A

1000-6923(2010)09-1281-06

孫向輝(1980-),女,河南洛陽人,中國科學院南京土壤研究所博士研究生,主要從事土壤環境生物修復方面的研究.

2010-01-19

國家自然科學基金資助項目(40921061,40701080);中國科學院知識創新工程重要方向項目(KZCX2-YW-404, CXTD-Z2005-4);農業部公益性行業科技專項資助(200803034)

* 責任作者, 研究員, ymluo@issas.ac.cn