多環(huán)芳烴污染土壤的菌群-植物聯(lián)合修復(fù)效應(yīng)研究

毛 健 楊代鳳 劉騰飛 范 君 孫靈湘

(蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

多環(huán)芳烴污染土壤的菌群-植物聯(lián)合修復(fù)效應(yīng)研究

毛 健 楊代鳳 劉騰飛 范 君 孫靈湘

(蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

采用盆栽試驗(yàn)方法，研究了菌群與三種植物(高羊茅、紫花苜蓿、三葉草)聯(lián)合修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤的效應(yīng)。結(jié)果表明，植物在修復(fù)中起重要作用，加菌群的土壤中PAHs的去除率高于未加菌群的處理。種植高羊茅加菌群、紫花苜蓿加菌群、三葉草加菌群處理土壤中PAHs去除率分別為41.8%、34.5%和27.1%植物體內(nèi)有高分子量PAHs的積累，四環(huán)PAHs的含量高于五環(huán)PAHs。

土壤修復(fù)；生物修復(fù)；植物修復(fù)；菌群；多環(huán)芳烴

多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是環(huán)境中普遍存在的一類有機(jī)污染物，由于其在土壤中的半衰期較長和致癌、致畸、致突變的性質(zhì)而受到人們的重視。如何修復(fù)PAHs污染土壤受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1]。

目前，已開發(fā)的土壤修復(fù)技術(shù)主要分為物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和生物修復(fù)法。其中，生物修復(fù)法是利用生物(植物、微生物和動物)吸收、降解、轉(zhuǎn)化土壤和水體中的污染物，使污染物的濃度降低到可接受的水平。按照修復(fù)生物的不同，生物修復(fù)一般可分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)和植物-微生物聯(lián)合修復(fù)[2]。植物-微生物修復(fù)實(shí)際上是利用由土壤、植物、微生物組成的復(fù)合體系來共同降解污染物的。該系統(tǒng)在植物修復(fù)的同時(shí)，還通過光合作用以及植物脫落物(其中含有糖、醇、蛋白質(zhì)和有機(jī)酸等)為微生物提供氧氣和養(yǎng)料，促進(jìn)微生物的生長代謝[3]。菌群作為一種多菌體共存的生物群體，在其生長過程中能分解有機(jī)物，同時(shí)依靠各種微生物之間相互共生增殖及協(xié)同代謝作用降解環(huán)境中的有機(jī)物，并能激活其它具有凈化功能的微生物，從而形成復(fù)雜而穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng)[4]。

本研究利用從PAHs污染土壤中篩選獲得的菌群，研究其與三種植物對PAHs污染土壤的聯(lián)合修復(fù)作用，為PAHs污染土壤修復(fù)技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

采自長江三角洲某地多環(huán)芳烴污染農(nóng)田。土壤類型為黃棕壤，土壤的基本理化性質(zhì)為：pH6.4，有機(jī)質(zhì)19.2g/kg，堿解氮1.0g/kg，全磷 0.5g/kg，有效鉀14.2g/kg，陽離子交換量21.5cmol/kg。9種EPA定為優(yōu)先污染物的PAHs的總量達(dá)10.1mg/kg(表1)。其中，四環(huán)、五環(huán)PAHs的含量分別占總量的60.9%和33.6%，說明該土壤中的PAHs主要由高分子量PAHs組成。新鮮土壤樣品過2mm篩后，于暗處4℃保存。

表1 供試土壤中多環(huán)芳烴的含量

1.2 供試植物

三葉草(Trifolium prepens)、高羊茅(Festuca arundinacea)、紫花苜蓿(Medicago sativa.)，種子購自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。

1.3 供試微生物

實(shí)驗(yàn)室富集獲得的PAHs降解菌群，主要由產(chǎn)堿菌屬、α-變形菌綱和副球菌屬的微生物構(gòu)成[4]。

1.4 PAHs污染土壤的菌群-植物聯(lián)合修復(fù)研究

每盆稱取1.0kg PAHs復(fù)合污染土壤，加入200mL菌群培養(yǎng)液(含菌量為2.6×107CFU·ml-1)，混合均勻。以加入等量無機(jī)鹽培養(yǎng)基的處理作為對照(CK)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

上述植物種子經(jīng)3%次氯酸鈉溶液表面消毒、催芽后直接播于盆缽中，植物出芽7～10d后間苗。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。土壤水分維持在田間持水量的50%～70%，每周噴施無機(jī)鹽培養(yǎng)液一次，每2周隨機(jī)交換盆缽在溫室中的位置。60d后采樣，植物根采集后用蒸餾水充分淋洗，再用濾紙蘸干表面水分，置于低溫冰箱中保存，待分析；土壤采集后充分混勻，過20目篩后置于低溫冰箱中待分析。

1.5 土壤中PAHs的提取

稱取2.0g風(fēng)干土樣于索氏管中，向茄形瓶中加入二氯甲烷70mL，索氏抽提24h。取出后控制水溫為36℃的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中旋轉(zhuǎn)濃縮至干，然后加入2.0mL環(huán)已烷對茄形瓶中物質(zhì)進(jìn)行溶解。另稱1.0g 經(jīng)400℃下處理4h的干燥硅膠于小燒杯中，加10mL正已烷浸泡15min，然后裝硅膠柱。吸取茄形瓶中環(huán)已烷溶解液0.5mL過柱。用1∶1正已烷和二氯甲烷混合液進(jìn)行洗脫，首次1.0mL洗脫液棄去，再接2mL洗脫液于刻度試管中，用高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

1.6 植物中PAHs的提取

稱取2.0～5.0g烘干植物樣品于索氏管中，向茄形瓶中加入70mL甲醇，索氏抽提24h。凈化步驟1.6。

1.7 PAHs的分析

將PAHs提取物質(zhì)溶解于2.0mL乙腈，用Class- VP5X Shimadzu HPLC測定。流動相為乙腈/水(60∶40)。液相色譜為日本島津Class-vp高效液相色譜分析系統(tǒng)，配熒光檢測器RF-10AXL，柱溫箱OTO-10ASVP，二元梯度泵LC-10AT，色譜分離柱為美國Varian公司的ChromSpher 5 PAH。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌群-植物聯(lián)合修復(fù)后土壤中PAHs的含量

植物修復(fù)被公認(rèn)為修復(fù)重度污染土壤的一種實(shí)用并且廉價(jià)的方法[5]。植物可以促進(jìn)根區(qū)微生物的轉(zhuǎn)化作用，微生物能夠降解有機(jī)污染物或改變污染物的存在形態(tài)，減輕污染物對植物的毒害，提高植物的耐受性、促進(jìn)植物對污染物的吸收轉(zhuǎn)化。這種互利作用尤其對難降解有機(jī)污染物的去除具有重要意義。

菌群-植物聯(lián)合生物修復(fù)60天后，土壤中三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)及PAHs總量如圖1所示。在所有處理中，種植植物的土壤中PAHs的含量普遍低于未種植植物的土壤，說明。在所有接菌群的土壤中，PAHs的去除率均高于未接菌群的土壤。其中，種植紫花苜蓿的土壤中三環(huán)PAHs的去除率最高(70.9%)，四環(huán)、五環(huán)PAHs的去除率分別為31.2%和34.2%。種植高羊茅的土壤中，三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)PAHs的去除率分別為60.9%、44.5%和33.7%。種植三葉草的土壤中，則分別為50.5%、24.5%和18.8%。從總量上看，種植高羊茅、苜蓿、三葉草的土壤中PAHs的去除率分別為41.8%、34.5%和27.1%。只接菌群未種植物的土壤中，三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)PAHs的去除率則分別為14.3%、9.6%和8.6%。

圖1 生物修復(fù)后土壤中三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)PAHs及總PAHs的含量

圖2 不同植物地上部和根中四、五環(huán)PAHs及PAHs總量

2.2 植物中PAHs的含量及分布

植物體內(nèi)(根部和地上部)PAHs的含量如圖2所示。可以看出，三種植物體內(nèi)只有四、五環(huán)PAHs，均沒有檢測出三環(huán)PAHs。三種植物中，高羊茅中PAHs含量最高，根部四環(huán)PAHs的含量約為地上部的7倍。紫花苜蓿中根部四環(huán)PAHs的含量約為地上部的2倍。三葉草中PAHs含量較低，其中接菌群的處理中四環(huán)PAHs的含量最高。三種植物中五環(huán)PAHs的含量差異不明顯，根部稍高于地上部。

3 討 論

植物修復(fù)被公認(rèn)為修復(fù)PAHs污染土壤的一種實(shí)用并且廉價(jià)的方法[5]。植物可以促進(jìn)根區(qū)微生物的轉(zhuǎn)化作用，微生物能夠降解有機(jī)污染物或改變污染物的存在形態(tài)，減輕污染物對植物的毒害，提高植物的耐受性、促進(jìn)植物對污染物的吸收轉(zhuǎn)化。這種互利作用尤其對難降解有機(jī)污染物的去除具有重要意義。

本研究選用高羊茅、苜蓿和三葉草與PAHs降解菌群對PAHs污染土壤進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)。在60d的修復(fù)試驗(yàn)中，未種植物和未接菌群的土壤中PAHs含量也有減少，這是由于土壤中存在的土著微生物對PAHs有一定的降解作用，表明土壤本身具有自然消減和修復(fù)PAHs污染的功能[6]。

在PAHs污染土壤中，種植植物促進(jìn)了土壤中PAHs的去除。在60 d的盆栽試驗(yàn)培養(yǎng)中，種植物土壤中PAHs含量明顯低于不種植物的土壤。且種植高羊茅和紫花苜蓿的土壤中PAHs的去除率最高。另外可以看到植物體內(nèi)也含有高分子量PAHs，且四環(huán)PAHs明顯高于五環(huán)PAHs。Johnson等[7]研究了一個(gè)由黑麥草、白三葉草和根瘤菌組成的植物修復(fù)系統(tǒng)對PAHs污染土壤的修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)在接種根瘤菌的處理中取得了更好的去除效果。三環(huán)、四環(huán)PAHs的釋放未受植物的影響，但四環(huán)、五環(huán)PAHs的解吸附卻提高了2個(gè)數(shù)量級。Reilley[8]等利用苜蓿、三葉草等4種植物對石油污染土壤中PAHs的去除進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)用14C示蹤的蒽和芘在種植植物時(shí)，其去除率都有顯著提高。他們認(rèn)為，這一方面是由于根際作用增加了微生物降解菌的數(shù)量，另一方面是因?yàn)橹参锓置谟袡C(jī)物為微生物共代謝提供了共代謝的基質(zhì)底物。

在添加菌群、未種植物的土壤中PAHs的減少，則是由于菌群的降解作用。因此，土壤中PAHs的去除是植物和菌群共同作用的結(jié)果。最近的一些研究發(fā)現(xiàn)，植物根際對表層土壤有毒有機(jī)污染物(如PAHs)的生物修復(fù)可能起重要作用。土壤微生物本身也能降解PAHs，但降解能力較弱，在植物存在條件下，其去除能力能提高2%～4.7%。投加特效降解菌對蒽、芘和苯等的去除有明顯促進(jìn)作用[9]。

植物體內(nèi)有高分子量PAHs的積累，且四環(huán)PAHs的含量高于五環(huán)PAHs。植物中三環(huán)PAHs的含量均低于檢測限，這可能是由于土壤中三環(huán)PAHs含量較低，且更易被微生物降解，因此進(jìn)入植物體內(nèi)的含量較低。

[1]高彥征，凌婉婷，朱利中，沈其榮.黑麥草對多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)作用及機(jī)制[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，(03)：498-502.

[2]程國玲，李培軍，王鳳友，郭偉，藺昕，鞏宗強(qiáng)，宮旋.多環(huán)芳烴污染土壤生物修復(fù)的強(qiáng)化方法[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6(6)：1-6.

[3]周妍，滕應(yīng)，姚倫芳，任文杰，丁克強(qiáng)，李振高，劉方，駱永明，朱燁.植物-微生物聯(lián)合對土壤不同粒徑組分中PAHs的修復(fù)作用[J].土壤，2015，(04)：711-718.

[4]毛健，駱永明，滕應(yīng)，李振高，吳宇澄.高分子量多環(huán)芳烴污染土壤的菌群修復(fù)研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2010，(01).

[5]Parrish Z.D.，Banks M.K.，Schwab A.P.Assessment of contaminant lability during phytoremediation of polycyclic aromatic hydrocarbon impacted soil[J].Environ Pollut，2005，137(2)：187-197.

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[9]Leyval C.，Binet P.Effect of polyaromatic hydrocarbons in soil on arbuscular mycorrhizal plants[J].Journal of Environmental Quality，1998，27(2)：402-407.

Interactive Effect of Microbial Consortium and Three Plants in Remediation of PAHs Contaminated Soil

MAO Jian YANG Daifeng LIU Tengfei FAN Jun SUN Lingxiang

(Suzhou Academy of Agricultural Sciences，Suzhou，215000，China)

A PAHs-degrading consortium and three plants (Festuca arundinacea，Melilotus cinalis and Lolium multiflorum) were used in remediation of PAHs-contaminated soils. During the 60-days pot experiment，the removal of PAHs in the soil grown with the plants was significantly higher than that without plant growth. The consortium enhanced the degradation of PAHs. In the treatment grown F. arundinacea with addition of the consortium，the degradation of 3-，4-，and 5-rings PAHs amounted to 60.9%，44.5% and 33.7%，respectively.

Soil remediation，Bioremediation，Phytoremediation，Consortium，PAH

項(xiàng)目資助：江蘇省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開放課題(201603)；蘇州市科技支撐項(xiàng)目(SNG201644)

毛健，副研究員，主要從事土壤環(huán)境研究

文獻(xiàn)格式：毛 健 等.多環(huán)芳烴污染土壤的菌群-植物聯(lián)合修復(fù)效應(yīng)研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(4)：108-110.

X53

A

1673-288X(2017)04-0108-03