樟樹對土壤中PAHs的修復及其影響因子

梁小翠 ，閆文德 ，田大倫，朱 凡 ，王光軍，鄭 威

（1.中南林業科技大學，湖南 長沙410004；2. 南方林業生態應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004；3.城市森林生態湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004; 4. 國家野外科學觀測研究站，湖南 會同418307）

樟樹對土壤中PAHs的修復及其影響因子

梁小翠1,3，閆文德1,2,3，田大倫1,2，朱 凡1,2，王光軍1,3，鄭 威1,4

（1.中南林業科技大學，湖南 長沙410004；2. 南方林業生態應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004；3.城市森林生態湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004; 4. 國家野外科學觀測研究站，湖南 會同418307）

采用室內盆栽實驗，利用柴油設置2 g·kg-1（L1），10 g·kg-1（L2）和50 g·kg-1（L3）模擬PAHs濃度梯度，對盆栽的1年生樟樹幼苗對PAHs的修復機制及影響因子進行研究。結果表明：（1）不同濃度PAHs污染（L1、L2、L3）水平下，樟樹幼苗土壤中PAHs的去除率分別為85.86%、91.95%、80.80%，均高于無植物處理。（2）PAHs在樟樹不同器官中的積累濃度不同。中、低濃度污染處理水平（L2、L1）下，樟樹各器官對PAHs的積累作用均表現為：葉＞根＞干；高濃度污染處理水平（L3）下則表現為根＞葉＞干。不同污染處理（L1、L2、L3）水平下，樟樹吸收累積作用修復PAHs污染土壤的貢獻率分別為64.26%、22.81%、11.39%。（3）隨著PAHs污染濃度的增大，樟樹不同部位生物濃縮系數逐漸減小。葉和根是樟樹富集PAHs的主要部位。（4）5 cm 土壤溫度和多酚氧化酶是影響樟樹修復PAHs污染土壤的關鍵因子，真菌、放線菌數量和磷酸酶活性可以作為土壤PAHs污染評價的生物指標。研究結果可為南方城市PAHs污染修復優良綠化樹種的篩選提供理論依據。

樟樹；植物修復；多環芳烴；柴油；微生物數量；酶活性；土壤溫度

多環芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons,簡稱PAHs）是由包含碳和氫的化合物不完全燃燒形成的兩個或兩個以上苯環稠和而成的具有生物可積累性的持久性有機污染物[1]。PAHs最主要的來源是人為源，包括煤、石油、天然氣的燃燒、交通運輸、廢物燃燒、工業生產、家庭取暖等[2]。近年來隨著人口的增長，城市及工業化進程的加快，PAHs污染嚴重威脅著人類健康以及生態系統的平衡。因此環境中PAHs污染的修復引起了人們的廣泛關注。

目前國內外PAHs污染修復技術主要有物理、化學和生物修復[3]。利用物理、化學方法修復有機污染環境，費用昂貴，而且還可能使當地的生態資源難以再利用，對于大面積污染土壤也難以實施[4]。生物修復具有二次污染少、安全、無毒、價廉等優點，是環境中PAHs最徹底的處理方法[5]，其中植物修復（phytoremediation）是利用植物吸收、降解以及根際圈降解的作用方式將污染物從環境中徹底去除，具有處理費用相對低廉、對環境擾動少和使資源可持續利用的特點[4]，而且操作比較簡單，尤其是多年生木本植物可一次投入多年受益，兼具修復、保護和美化環境的功能[6]。

樟樹Cinnamomum camphora為常綠喬木，吸毒、抗毒性能較強，成為南方許多城市和地區園林綠化的首選良木，深受園林綠化行業的青睞。本文采用室內盆栽實驗，利用柴油設置2 g·kg-1（L1），10 g·kg-1（L2） 和 50 g·kg-1（L3） 模擬PAHs濃度梯度，研究了1年生樟樹幼苗對污染土壤中PAHs的修復機制及影響因子，不僅可豐富生物修復理論，而且為南方城市優良綠化樹種的篩選提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試苗木來源于黃興鎮苗木基地，為一年生樟樹實生苗。土壤為中南林業科技大學長沙校區與湖南省株洲市夕陽紅苗圃園土壤以1∶1比例混合的土壤，自然風干后過1 mm篩備用。土壤理化性質為：全氮 1.33 g·kg-1，總有機碳 17.21 g·kg-1，pH 值4.84，含水量22.0%。污染物用市售0號柴油模擬PAHs污染，因為柴油的芳烴和PAHs含量在陸地上使用的中程燃油中最高[7]。

1.2 試驗設計

利用柴油設置 2 g·kg-1（L1）、10 g·kg-1（L2）和50 g·kg-1（L3）模擬PAHs低、中、高污染濃度梯度，土壤和柴油拌勻放置48 h充分平衡后，分裝到直徑35 cm、高30 cm的圓形塑料盆中，移栽生長發育良好且大小較一致的樟樹幼苗。同時設置無植物處理作為對照。每一種處理有3個重復，放置在湖南省長沙市中南林業科技大學城市生態站溫室中，實驗歷時1年。平時用自來水保持所有供試苗木盆內土壤濕度，室內溫度因開窗對流與環境溫度基本保持一致。

1.3 測定方法

土壤和植物中PAHs為美國環保總署確定的16種優先監測污染物（EPA-PAHs），分別是萘、苊、芴、菲、蒽、芘、苊烯、熒蒽、苯并（a）蒽、苯并（b）熒蒽、苯并（a）芘、苯并（k）熒蒽、二苯并（a,h）蒽、茚并（1,2,3-cd）芘、苯并（g,h,i）苝，用Agilent 6890GC/5973MS氣質聯用儀測定PAHs總含量[8]。

土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化法，土壤pH用PXS-270型離子計測定，土壤含水量采用烘干法[9]。土壤中5 cm的溫度用Li-6400-09的土壤溫度探針測定。

土壤微生物（細菌、真菌、放線菌）數量：稀釋平板菌落計數法[10-11]。磷酸酶活性：磷酸苯二鈉比色法測定，結果以2 h后100 g土壤中P2O5的毫克數表示（mg P2O5·100 g-1）[12]；多酚氧化酶活性：鄰苯三酚比色法測定，結果以3 h后100 g土壤中紫色沒食子素的毫克數表示（mg紫色沒食子素·100 g-1,3 h）[13]。

1.4 數據處理

數據用Excel和SPSS 13.0軟件統計分析。PAHs的去除率（R）計算公式為：R=（C0-Ct）×100%/C0，式中C0為土壤中PAHs初始濃度，Ct為取樣時土壤中PAHs殘留濃度。

2 結果與分析

2.1 樟樹對土壤中PAHs的去除作用

1年后樟樹對土壤中PAHs的去除作用見表1。不同濃度PAHs污染（L1、L2、L3）水平下，無植物處理土壤中PAHs的去除率分別為66.68%、91.63%、34.78%，有植物處理土壤中PAHs的去除率分別為85.86%、91.95%、80.80%，均高于無植物處理。可見植物的存在促進了土壤中PAHs的修復。無植物和有植物處理土壤中PAHs的去除率均是 L2＞L1＞L3。

2.2 樟樹對土壤中PAHs的累積作用

表2為1年后樟樹不同器官對土壤中PAHs的累積作用。可以看出，PAHs在樟樹不同器官中的積累濃度不同。中、低濃度污染處理水平（L2、L1）下，樟樹各器官對PAHs的積累作用均表現為：葉＞根＞干；高濃度污染處理水平（L3）下則表現為根＞葉＞干。方差分析表明，L1水平下，根、干、葉積累濃度差異顯著（p＜0.05）；L2水平下，干與根、葉積累濃度差異顯著（p＜0.05），根和葉差異則不顯著（p＞0.05）；L3水平下，各器官對PAHs的積累作用沒有顯著性差異（p＞0.05）。PAHs在植物不同器官富集程度的差異可能與植物自身脂肪含量的不均勻性有關[14]。表2還顯示，不同污染處理水平下，樟樹吸收累積作用修復PAHs污染土壤的貢獻率不同，L1、L2、L3水平下貢獻率分別為64.26%、22.81%和11.39%。可見，PAHs污染越嚴重，植物吸收積累作用對修復PAHs污染的貢獻率越小，這可能是因為PAHs濃度增大到一定程度時，會產生脅迫作用，影響植物的正常生長和新陳代謝等生理活動[15]。

表2 樟樹不同器官對土壤中PAHs的累積作用?Table 2 PAHs accumulation in different organs of Cinnamomum camphora

2.3 樟樹對土壤中PAHs的生物濃縮系數

生物濃縮系數(Bioconcentration factors，縮寫BCFs)是指生物體內污染物累積濃度與其生長環境介質中污染物殘留濃度的比值，常用于評價或衡量生物體對某一污染物的修復或富集能力[16]。生物濃縮系數越大，表明該生物體的修復或富集能力越高。通過對比分析樟樹的根、干、葉部的BCFs與土壤中PAHs污染濃度的對應關系（圖1）發現，隨著PAHs污染濃度的增大，樟樹不同部位生物濃縮系數均呈現逐漸減小的趨勢，這與潘聲旺等研究發現沿階草對 PAHs的BCFs隨土壤中 PAHs可提取態殘留濃度的增大而降低結果一致[17]。在同一濃度PAHs污染處理下，低濃度（L1）和中濃度（L2）處理生物濃縮系數均表現為葉＞根＞干， 高濃度PAHs污染（L3）處理則表現為根＞葉＞干。可見葉和根是樟樹富集PAHs的主要部位。

圖1 樟樹各器官中PAHs的生物濃縮系數Fig. 1 Bioconcentration factors for PAHs in different organs of Cinnamomum camphora

2.4 樟樹修復土壤中PAHs的影響因子

（1）土壤微生物數量

土壤微生物區系（包括微生物數量、組成）的演變是反映土壤環境質量變化的重要生物學指標，其中細菌、放線菌、真菌是土壤微生物區系的主要組成成分。本試驗中，樟樹幼苗土壤中真菌數量與PAHs殘留濃度呈顯著負相關（r=-0.316,p＜0.05），與PAHs初始濃度呈極顯著負相關（r=-0.405,p＜0.01），但與PAHs去除率則沒有顯著相關性（p＞0.05）；放線菌數量與PAHs去除率存在極顯著負相關關系（r=-0.403,p＜0.01）；細菌數量和微生物總數與PAHs卻沒有顯著相關性（p＞0.05）（表3）。可見微生物數量并不是影響樟樹修復PAHs污染土壤的關鍵因子，但真菌和放線菌數量卻可以作為土壤PAHs污染評價的生物指標。

（2）土壤酶活性

酶是土壤中生物化學反應的直接參與者，是土壤的重要組成部分，其活性高低可反映土壤營養物質轉化、能量代謝、污染物降解等能力的強弱[18]。由表3可得，樟樹幼苗土壤磷酸酶活性與PAHs殘留濃度相關系數為0.451，達到極顯著正相關（p＜0.01），與PAHs初始濃度相關系數為0.385，顯著正相關（p＜0.05），表明樟樹幼苗土壤PAHs的添加對磷酸酶活性有激活作用，這與宮璇等[19]研究結果相同；但磷酸酶活性與PAHs去除率卻沒有顯著相關性（p＞0.05），表明磷酸酶對PAHs的去除貢獻不大，這可能與磷酸酶主要是促進土壤中有機磷化合物或無機磷酸鹽轉化成無機態磷，而本試驗中研究的PAHs為非含磷化合物有關；但是PAHs能夠促進磷酸酶活性的增加，因此可以作為土壤PAHs污染評價的生物指標。樟樹幼苗土壤多酚氧化酶活性與PAHs去除率呈顯著正相關（r=0.360，p＜0.05），表明多酚氧化酶能夠促進PAHs的降解，這可能與多酚氧化酶能夠參與芳香族化合物的分解轉化過程，是土壤中重要的氧化還原酶有關[20]。這與丁克強等的研究結果是一致的[21-22]。表明多酚氧化酶在樟樹修復PAHs污染土壤的過程中起著關鍵性的作用。

（3）土壤溫度

由表3可得，5 cm土壤溫度與PAHs殘留濃度呈現出極顯著負相關關系（r=-0.466,p＜0.01），與PAHs去除率呈極顯著正相關關系（r=0.614,p＜0.01），可見土壤溫度升高有利于PAHs的去除，一方面土壤溫度升高有利于低分子量PAHs從土壤介質中揮發出去，另一方面可能是溫度的升高能夠促進部分酶活性的增強，如本試驗中，5 cm土壤溫度與多酚氧化酶活性極顯著正相關（r=0.459，p＜0.01），多酚氧化酶活性增強將加快PAHs的降解。

表3 樟樹修復土壤中PAHs的影響因子?Table 3 Impact factor of PAHs remediation of Cinnamomum camphora

3 結 論

（1）不同濃度PAHs污染（L1、L2、L3）水平下，有植物處理土壤中PAHs的去除率均高于無植物處理。可見樟樹促進了土壤中PAHs的修復作用。

（2）不同污染處理水平下，PAHs在樟樹不同器官中的積累濃度不同。中、低濃度污染處理水平（L2、L1）下，樟樹各器官對PAHs的積累作用均表現為：葉＞根＞干；高濃度污染處理水平（L3）下則表現為根＞葉＞干。樟樹吸收累積作用修復PAHs污染土壤的貢獻率隨PAHs污染程度的加強而變小。

（3）隨著PAHs污染濃度的增大，樟樹不同部位生物濃縮系數均呈現逐漸減小的趨勢。葉和根是樟樹富集PAHs的主要部位。

（4）真菌、放線菌數量和磷酸酶活性可以作為土壤PAHs污染評價的生物指標。多酚氧化酶活性的增強和5 cm土壤溫度的升高有利于PAHs的去除，是影響樟樹修復PAHs污染土壤的關鍵因子。

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Phytoremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils by Cinnamomum camphora and impact factors

LIANG Xiao-cui1,3, YAN Wen-de1,2,3, TIAN Da-lun1,2, ZHU Fan1,2, WANG Guang-jun1,3, ZHENG Wei1,4
(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha, 410004, Hunan, China; 2. National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3. Key Laboratory of Urban Forest Ecology of Hunan Province, Changsha 410004, Hunan, China; 4. National Field Station for Scientif i c Observation and Experiment,Huitong 418307, Hunan, China)

By pot experiments in greenhouse, phytoremediation and its impact factor were investigated for one-year-old Cinnamomum camphora treated with unplanted soils （control） and at three diesel concentrations （2 g·kg-1（L1），10 g·kg-1（L2） and 50g·kg-1（L3）） to stimulate different levels of PAHs pollution. The results show that the removal rates of PAHs by C. camphora were 85.86%, 91.95% and 80.80% at L1, L2 and L3 levels, and all were higher than unplanted treatment; PAHs accumulations in the organs of C. camphora were different, at L2 and L1 levels, the accumulation of PAHs by C. camphora was in an order: leaf＞root＞stem, while it was root＞leaf＞stem at L3 levels; and the contribution rates for PAHs phytoremediation by absorption and accumulation of C. camphora were 64.26%, 22.81% and 11.39% at L1, L2 and L3 levels; the bio-concentration factors became smaller with the increase of PAHs pollution, and leaf and root were the important organs for C. camphora to enrich PAHs; the temperature at 5 cm soil and polyphenol oxidase were the key factors for PAHs phytoremediation by C. camphora; the fungi, actinomycetes population and phosphatase activity were suggested as the biological indicators of soil PAHs pollution. The fi ndings could provide a theoretic evidence for screening good trees which have great effect on remediation of PAHs pollution.

Cinnamomum camphora; phytoremediation; polycyclic aromatic hydrocarbons; diesel oil; microbial population; enzyme activities; soil temperature

2012-10-10

國家自然科學基金項目（31070410、30571487、30771700、30870455）；教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET-10-0151）；長沙市科技局項目（K1003009-61）；中南林業科技大學青年科學研究基金重點項目（QJ2010008A）資助

梁小翠（1981-），女，河北保定人，博士研究生，講師，主要從事城市生態學研究

閆文德（1969-），男，甘肅武威人，博士，教授，主要從事森林生態和城市生態學研究；E-mail：csfuywd@hotmail.com

S792.23

A

1673-923X(2012)12-0176-05

[本文編校：吳 彬]