作物生長對土壤苯并[a]蒽(BaA)污染的響應

楊蘭芳，祁士華，李海波，王向琴，李杰，李軍

(1. 湖北大學 資源環境學院，湖北 武漢 430062； 2. 中國地質大學(武漢) 環境學院，湖北 武漢 430074)

多環芳烴(PAHs)是指兩個或兩個以上的苯環以稠環和非稠環形式相連接的、具有強烈的毒性-致癌、致畸變和致突變性的化合物[1].其來源廣泛,在大氣、水體和土壤等環境中普遍存在，對環境的危害性極大，因此多環芳烴在環境中的行為正被研究者們廣泛關注.多環芳烴水溶性低而疏水性強，會被強烈地分配到非水相中，吸附于顆粒物上，土壤便成為其環境歸宿之一[1]，據估計在英國有90%以上多環芳烴儲存在土壤中[2].被多環芳烴污染的土壤在城市周圍、污水排放和灌溉區、工業區、交通要道附近等大量存在，因此多環芳烴污染土壤的修復問題值得重視.生物修復技術是一種價廉便捷的修復技術，其利用前景非常廣闊.植物生長能夠促進土壤多環芳烴降解，如在1、10、50 mg/kg苯并[a]芘處理濃度下，有黑麥草生長土壤的降解率分別為90.3%、87.5%、78.6%，沒有黑麥草生長土壤的降解率則為79.3%、66.4%、55.6%[3].但當前有關植物與土壤多環芳烴關系的研究主要集中在低環和非農作物，高環多環芳烴以及多環芳烴與農作物生長關系的研究較少.高環多環芳烴的毒性比低環更強，因此研究作物生長與高環多環芳烴污染之間的相互關系，更有利于環境安全和人類健康.苯并蒽(BaA)是一種4環多環芳烴，被國際癌癥研究中心認為是很可能致癌的物質[4]，有關其環境行為和污染修復方面的研究少見報道.本試驗通過盆栽大豆和小麥，初步研究了作物生長與土壤BaA污染的相互影響，可以為高環多環芳烴污染對植物生長的影響和污染土壤的生物修復提供科學依據.

1 材料與方法

1.1材料盆栽試驗土壤為長江沖積母質發育的沖積土，采自湖北大學校園內，其基本理化性質如表1.

表1 供試土壤的基本理化性質

所用多環芳烴苯并[a]蒽(BaA)購自國藥集團上?；瘜W試劑公司，為Fluke公司生產.

所用作物有大豆(GlycinemaxMerr)和小麥(TriticumaestivumL)，大豆和小麥種子購于武漢市大東門種子市場.

1.2盆栽試驗所用盆缽為高18 cm、體積為3.2 L圓臺形陶瓷缽.采用0、1、10、50 mg/kg 4種BaA處理水平，設置裸土、小麥、大豆3種處理方式，每處理重復3次，每盆裝土2.0 kg.將BaA配成0、0.2、2、10 mg/mL的丙酮溶液，播種前按處理每盆加入相應濃度的BaA溶液10 mL，待丙酮揮發后，再加入相應的底肥一起拌均勻后裝盆播種.土壤含水量維持在持水量的70%左右.每kg土施入150 mg N、75 mg P、150 mg K作為小麥的底肥，而大豆和裸土則每kg土施用N、P、K分別為75、75、150 mg.N、P、K分別用硫酸銨、磷酸二氫鉀和硫酸鉀為肥源.2006年3月13日播種，管理至種子成熟7月2日收獲，生長時間為110 d.

1.3樣品制備

1.3.1 土壤樣品制備 盆栽試驗結束后，將植物根系剔除后，將土壤混合均勻后按四分法取約200 g土壤裝入紙袋帶回實驗室，平鋪在干凈的塑料盤在陰涼處吹干，用有機玻璃摩擦綢布產生靜電吸附植物殘體，并磨細過1 mm篩，裝入自封袋或塑料瓶中密封，低溫保存備用.

1.3.2 植物樣品制備 大豆和小麥按根系、莖桿、籽粒分開.莖桿和根系帶回室內洗干凈后，用剪刀剪成小于1 cm的小段，裝入紙袋中在60 ℃烘箱中烘干，干燥器中冷卻后稱重，籽粒直接裝入紙袋中在60 ℃烘干，于干燥器中冷卻后稱重.

1.4分析方法

1.4.1 土壤基本理化性質分析用常規法[5]即土壤有機質用硫酸-重鉻酸鉀外加熱容量法，堿解氮用堿解擴散法，速效磷用鉬藍比色法，速效鉀用火焰光度法，土壤pH用精密pH計電位法，土壤陽離子交換量(CEC)用醋酸銨法，土壤質地用吸管法.

1.4.2 土壤多環芳烴的測定用GC-MS法[6]稱取過1 mm篩的土壤10 g，用濾紙包好，放入索氏提取器中加入二氯甲烷100 mL在 40 ℃水浴中提取24 h，然后轉移到旋轉蒸發器中濃縮，加入正己烷后過硅膠柱，再用2∶3的二氯甲烷與正己烷的混合液洗脫，洗脫液在轉移至旋轉蒸發器中濃縮，用氮氣吹至0.2 mL后保存與冰柜中，然后上機，經過氣相色譜儀分離，質譜檢測器定量.

1.5數據處理試驗數據用SPPS10.0軟件中的One-Way ANOVA進行方差分析和多種比較，顯著水平為0.05.

2 結果

2.1土壤BaA污染對作物生長的影響表2表明，土壤BaA污染對作物生物量積累的影響因作物而異.對于大豆，不同BaA水平下的總生物量和籽粒重量與對照(不加BaA)的差異均不顯著，但加BaA 1.0 mg/kg的籽粒顯著高于加BaA 50 mg/kg的處理，其余各處理之間的籽粒產量無顯著差異；加BaA 10.0 mg/kg總生物量顯著高于加BaA 50.0 mg/kg，其余各處理的總生物量之間無顯著差異.對于小麥，加BaA 50.0 mg/kg的籽粒產量和總生物量均顯著低于對照和其余處理，其籽粒和總生物量分別比對照低36.6%和23.2%，而其余處理與對照之間無顯著差異.

表2 不同土壤BaA處理下大豆和小麥的生物量 g

同一欄中不同字母表示顯著水平達到0.05，下同.

2.2作物生長對BaA去除的影響表3可見，作物收獲后，裸土、種小麥土和種大豆土的BaA殘留濃度均隨土壤BaA加入量的增加而增加，土壤BaA殘留濃度與土壤BaA加入量之間的線性相關系數在裸土、小麥土和大豆土分別為0.988 4、0.988 5、0.988 2，均超過0.05的顯著水平(0.950)，即土壤BaA含量與BaA的加入量呈顯著的線性相關.在不加BaA的處理下，裸土、小麥土和大豆土三者之間的土壤BaA含量無顯著差異，但在不同土壤BaA加入量下，作物收獲后土壤BaA含量呈裸土>小麥土>大豆土的規律，在土壤加入BaA 1.0 mg/kg處理下，裸土與小麥土無顯著差異，而大豆土則顯著低于小麥土和裸土，在土壤加入BaA10.0和50.0 mg/kg處理下，裸土、小麥土和大豆土之間的差異均極顯著.同裸土相比，在加入BaA1.0、10.0、50.0 mg/kg下，小麥土的BaA殘留量比裸土分別低14.2%、19.4%、20.8%，大豆土的BaA殘留量則比裸土分別低32.6%、36.4%、34.2%.

表3 作物收獲后土壤BaA的含量 μg/kg

圖1 作物生長對土壤BaA去除率的影響

3 討論

3.1土壤多環芳烴污染對作物生長的影響小麥在50 mg/kg的處理下其籽粒產量和總生物量均顯著低于對照和其余處理，表明在此濃度下小麥的生長受到了顯著的抑制.本試驗結果與周立祥等[7]研究菲、芘、蒽對赤潮微藻,邢維芹等[8]研究奈和菲對冬小麥,鄭威等[9]研究柴油處理對欒樹幼苗、Smith等[10]研究多環芳烴、煤焦油、受多環芳烴嚴重污染的煉焦廠土壤對草類,洪有為等[11]研究菲和螢蒽對秋茄的影響結果一致.本試驗中大豆生長受BaA的影響不顯著，證明在相同的條件下，大豆抗BaA污染的能力比小麥強，也說明多環芳烴對植物生長的影響隨作物種類和多環芳烴含量的不同而異.

3.2植物生長對土壤多環芳烴去除的影響植物可以通過揮發、固定、轉化、積累、泵取和根際作用等去除土壤污染物[12]，用燕麥、羽扇豆、油菜、蒔蘿、胡椒、蘿卜、金錢松、紅松、白松等9種植物進行培養試驗的結果表明，種植物土壤芘的去除率顯著高于不種植物的土壤，證明所有植物都促進了土壤芘的去除[13].本試驗結果表明小麥和大豆生長顯著促進了土壤BaA的去除，即作物生長有助于去除土壤BaA污染.植物對土壤污染物降解的促進作用主要歸因于植物根際的作用，根際同非根際相比，有很多差別，如根際養分有效性高、根際微生物活性高、根際pH和Eh不同于非根際、根際有根系分泌物存在等[14]，這些導致根際的理化和生物學性質不同于非根際.有關植物生長對土壤多環芳烴去除影響方面的研究很多，如種植苜蓿、酥油草、蘇丹草和柳枝稷可使土壤中蒽和芘的去除率比無植物土壤高30%～44%[15]，同時用14C標記芘試驗發現芘的最高礦化率出現在用植物根系和微生物分泌有機酸灌溉的處理，而消毒土壤的礦化率最小[16]，這說明土壤多環芳烴的降解是微生物過程，植物的促進作用是由于根系分泌物增強了土壤微生物活力.植物根系土柱試驗表明，玉米根系分泌物能顯著增加14C標記芘的降解，其增加程度相當于種植玉米的盆栽試驗，消毒土壤中芘降解幾乎為零[17]，這說明玉米根際分泌物是通過增加土壤微生物活性來促進芘的降解.土壤摻入1 g/kg的多環芳烴直接種植和存化6個月后種植黑麥草的試驗表明，無論是存化還是沒有存化處理，根際多環芳烴的含量顯著低于非根際，根際微生物的數量也是根際高于非根際[18].

植物生長對土壤多環芳烴降解實質上是植物和微生物的聯合作用，其基本原理有：一是植物根區的菌根真菌與植物共生，有獨特酶途徑，用以降解不能被細菌單獨轉化的有機物，二是植物根區分泌物刺激了細菌的轉化作用，三是植物還可以為微生物提供生存場所并可轉移氧化，使根區好氧化作用能夠正常進行[2].利用酥油草、苜蓿、蘇丹草和三葉草研究他們對石油污染土壤中多環芳烴的降解，發現在種植植物下，14C標記的蒽和芘的降解率都有顯著提高，其原因一方面是根際作用增加了微生物降解菌的數量，另一方面是植物分泌物為微生物共代謝提供了共代謝底物[19].黑麥草的試驗發現， 離根系越近，異養菌和多環芳烴降解菌數量越高，在距離根0～3、3～6、6～9 mm的土層中多環芳烴的降解率依次為86%、48%和36%，而沒有植物土壤中各層的降解率無差異[20]，有酥油草生長下的土壤苯并[a]蒽殘留濃度顯著低于無植物的，其微生物活性顯著高于無植物的土壤[21].在1、10、100 mg/kg 3種濃度處理下，紫花苜蓿在接種菌根菌下對苯并[a]芘分別為86.2%、86.6%、57.0%，不接種菌根菌時為75.9%、77.7%、53.4%，而沒有植物下的降解率分別為54.9%、52.6%、34.1%[22].說明根際高的降解率是由于根際微生物活性高所致.一般認為微生物對多環芳烴代謝有兩方面，一是以多環芳烴為唯一碳源和能源，二是與其他有機物共代謝，低環多環芳烴以第一種方式為主，而高環多環芳烴的代謝以共代謝為主[23].桑橙、雜交柳和心形木的根提取物和桑樹根的分泌物在24 h內增加了15%～20%苯并[a]芘的降解，這與加入琥珀酸培養效果相當[24]，表明植物根際能夠提供降解多環芳烴的共代謝底物.

本試驗中小麥和大豆對苯并[a]蒽的去除率為87%～98%，高濃度下的去除率低于低濃度下的去除率.有關研究表明，多環芳烴在土壤中的降解率變化較大.如在5、50、500 mg/kg菲處理下，黑麥草在60 d內對菲的降解率可達93%～95%[25]；用苜蓿、柳枝稷、藍徑草培養6個月后，可使總多環芳烴減少57%[26]；在1、10、50 mg/kg苯并[a]芘處理濃度下，有黑麥草生長土壤的降解率分別為90.3%、87.5%、78.6%，沒有黑麥草生長土壤的降解率則為79.3%、66.4%、55.6%[4]，種植紫花苜?？墒?3種多環芳烴的總量減少86%[28].這說明多環芳烴在土壤中的降解率與多環芳烴類型、植物種類以及環境條件等有關，同這些結果相比，本試驗的結果也是在合理的范圍內.

3.3植物類型對降解多環芳烴的影響本試驗中，相同條件下，種植大豆后的土壤BaA殘留濃度比種植小麥后土壤BaA的殘留濃度低約17%～21%，說明大豆同小麥相比更能促進土壤BaA的降解，也表明植物類型不同，對土壤多環芳烴降解的影響是不同的.Spriggset等[28]研究表明，對苊、蒽、熒蒽、萘和菲的降解率呈黑柳>雜交白楊>岑樹的規律.蘆葦和苜蓿都促進了土壤中瀝青和多環芳烴的降解，多環芳烴的降解率在苜蓿土、蘆葦土和無植物土中分別為74.5%、68.7%和44.5%[29].大豆對BaA的去除率高于小麥，其原因一方面可能是大豆根系分泌物不同于小麥，因而對微生物的影響也不同.大豆作為固氮植物，其根系分泌物中的含氮物質比非豆類植物小麥豐富，豐富的氮素有益于土壤微生物活動.在50 mg/kg BaA處理下，大豆生長同對照相比沒有受到影響，而小麥在此處理下的籽粒產量和總生物量均顯著低于對照，表明小麥生長已經受到了嚴重影響，植物生長受到影響，必然會降低植物根系的活性，也會影響到土壤BaA的降解.這也證明不同植物抗多環芳烴污染的能力不同.本試驗結果證明大豆抗多環芳烴污染的能力比小麥強.另一方面有可能是根瘤菌的影響.將黑麥草和白三葉草混種，接種根瘤菌的處理中多環芳烴的降解率和多環芳烴降解菌的數量高于沒有接種根瘤菌的處理[30]，證明根瘤菌可以促進土壤多環芳烴的降解.因此種植豆類植物有利于增強土壤去除多環芳烴的能力.

4 結論

(1)本試驗的BaA處理水平對大豆生長無顯著影響，而50 mg/kg的處理顯著降低了小麥的籽粒產量和總生物量，說明土壤BaA污染對植物生長的影響受植物類型和污染水平影響，大豆抗BaA污染的能力比小麥強.

(2)作物收獲后，土壤BaA殘留濃度呈現為裸土>小麥土>大豆土，土壤BaA的去除率呈大豆土>小麥土>裸土，說明作物生長顯著減少土壤BaA的殘留，促進了土壤BaA的去除，大豆對土壤BaA的去除能力大于小麥.

(3)無論種植物土壤還是裸土，多環芳烴的殘留量均與加入量呈顯著的線性相關，而且高濃度下的去除率顯著低于低濃度下的去除率.

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