潘聲旺,李 玲,袁 馨

(1.成都大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究所,四川成都 610106;2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715)

0 引 言

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是環(huán)境中普遍存在的持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants,POPs),性質(zhì)穩(wěn)定、水溶性差,其在環(huán)境中的含量逐年上升[1].因環(huán)境中PAHs多數(shù)具有“三致”效應(yīng),嚴(yán)重威脅著人類健康和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全,修復(fù)土壤PAHs污染已成為環(huán)境領(lǐng)域的焦點(diǎn)問題之一.

蚯蚓是土壤中普遍存在的一類廣譜性動(dòng)物,蚯蚓活動(dòng)不僅能改善土壤理化性質(zhì),活化微生物活性[2],還能促進(jìn)修復(fù)植物的生長(zhǎng)[3].因PAHs的生物降解主要在好氧條件下進(jìn)行[4-5],蚯蚓活動(dòng)引發(fā)的土壤—植物系統(tǒng)理化性質(zhì)與生態(tài)功能的改變,尤其是通氣狀況的改善,能否對(duì)植物修復(fù)PAHs污染土壤產(chǎn)生促進(jìn)作用呢?相關(guān)研究鮮見報(bào)道.本研究擬以環(huán)毛蚓(Pheretima sp.)、紫花苜蓿(Medicago sativa)為材料,對(duì)比研究蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤—植物系統(tǒng)中PAHs去除效果的影響,以期為PAHs污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供試驗(yàn)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 土 壤.

試驗(yàn)用土壤為紫色土,采自旱地表層0～20 cm處,無污染史.其理化性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì)22.3 g·kg-1, CEC 27.43 cmol·kg-1,pH值為7.19,速效N、P、K分別為114.6、24.7、94.8 mg·kg-1.

1.1.2 植 物.

以2周齡紫花苜蓿為試驗(yàn)材料.種子經(jīng)雙氧水處理后,無菌條件下催芽、培養(yǎng)14 d后備用.

1.1.3 蚯 蚓.

試驗(yàn)用蚯蚓為為人工培育的環(huán)毛蚓,培育方法如下:風(fēng)干的牛糞經(jīng)脫氨、滅菌(蟲)后,重新碾碎,以60 g·kg-1(干重比)的比率與未污染的試驗(yàn)土壤混勻后,分裝于底部有濾孔的瓷盆中(20 kg·pot-1).母蚓經(jīng)雙氧水浸潤(rùn)10 min后,均勻引入培養(yǎng)盆中,20± 2℃、40%田間持水量下室內(nèi)培育30 d后,選擇同等大小(鮮重:0.5～0.6 g;體長(zhǎng):7～8 cm)、無環(huán)帶個(gè)體待用.

1.1.4 化學(xué)品.

菲(Phe,phenanthrene)是燃油和汽車尾氣排放PAHs的標(biāo)志物,在污染土壤中檢出濃度較高.本研究以菲為PAHs代表物(購(gòu)自德國(guó)Fluka公司,純度＞98%).

1.2 試驗(yàn)方法

盆栽試驗(yàn)在溫室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)周期70 d.土壤采集后,風(fēng)干、過3 mm篩.將一定量的菲經(jīng)丙酮溶解后,均勻?yàn)⒃谕寥辣韺?待丙酮揮發(fā)后,多次攪拌、混勻,制備6個(gè)污染水平(T0～T5).40%田間持水量下平衡7 d后,測(cè)得土壤中菲的初始濃度分別為:0(T0)、20.05(T1)、40.88(T2)、81.05(T3)、161.44(T4)、322.06(T5)mg·kg-1.

試驗(yàn)分為A、B兩組.

(1)A組包括4個(gè)處理、重復(fù)5次:處理1(CK1),土壤中加入0.1%NaN3(抑制微生物活性)[6],無植物;處理2(CK2),無植物,無NaN3;處理3(TR3),種植物,加0.1%NaN3;處理4(TR4),種植物,無NaN3.土壤裝盆后(2 kg·pot-1),除 CK1、CK2外,每盆移栽并保留紫花苜蓿幼苗12株.試驗(yàn)期間,白天室溫維持在25℃,350 μmol·(m2·s)-1光照強(qiáng)度下持續(xù)光照16 h,夜間室溫控制在12℃左右;田間持水量維持在40%.

(2)B組中,除每盆添加8條蚯蚓外,試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)條件與A組相同,沒有額外投加食物(試驗(yàn)期間,對(duì)照土樣(CK2)中蚯蚓體重較初始引入時(shí)平均減輕15.03%,各污染水平(T1～T5)下體重生長(zhǎng)率與無污染的 T0組(-13.38%)間差異不顯著(n= 40,p＞0.05),其他處理(CK1、TR3、TR4)中生長(zhǎng)狀況與 CK2類似,說明試驗(yàn)條件適合蚯蚓生長(zhǎng)[7]).

1.3 樣品測(cè)定與質(zhì)量控制

70 d后采樣,土壤、植物組織中菲的提取與凈化方法參照文獻(xiàn)[8].蚯蚓組織中菲的提取、凈化參照J(rèn)ohnson[9]方法,并略有改進(jìn):洗凈后活體蚯蚓在去離子水中培養(yǎng)12 h后,轉(zhuǎn)移到活化硅膠中埋置48 h,待充分排凈體內(nèi)雜質(zhì)后,洗凈、用濾紙吸干、稱重;液氮真空干燥后,充分碾碎;與3倍重量的無水硫酸鈉混合,用正己烷索氏提取12 h;將提取液濃縮至1 mL后,用凝膠滲透色譜法(GPC)進(jìn)一步去除少量的油脂殘余;濾液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸干后甲醇定容2 mL,過0.22μm孔徑濾膜后待測(cè).

經(jīng)上述前處理后,HPLC(Waters600)測(cè)定,DAD檢測(cè)器(λ=246 nm)、流動(dòng)相為甲醇加水(83∶17).在此條件下,檢出限為54.2 pg·L-1,土壤中菲的加標(biāo)(外標(biāo)法、下同)回收率為 95.9%(n=7,RSD＜5.5%)、植物組織為94.5%(n=7,RSD＜4.7%)、蚯蚓組織為91.9%(n=7,RSD＜5.5%).

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用SPSS 13.0進(jìn)行Duncan’s多重比較.土壤中菲的去除率(R)計(jì)算式為,

式中,C0為初始濃度,Ct為取樣時(shí)殘留濃度.

去除因子 i對(duì)菲去除的貢獻(xiàn)率(Ti,即因子 i對(duì)菲的實(shí)際去除量與初始添加量的百分比)計(jì)算式為,

式中,Ri為因子i對(duì)菲的實(shí)際去除量,W為土壤質(zhì)量.很明顯,所有生物、非生物因子的貢獻(xiàn)率之和理論上應(yīng)等于去除率 R.

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓活動(dòng)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

圖1展示了A、B組土壤(無NaN3)中紫花苜蓿的生長(zhǎng)狀況.結(jié)果顯示,試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),紫花苜蓿在菲污染土壤中能夠正常生長(zhǎng).無蚯蚓活動(dòng)(A組)時(shí),其單株生物量、根冠比與 T0水平(0.635 g、0.341 g)間差異不顯著(n=60,P＞0.05);有蚯蚓(B組)時(shí),單株生物量較同一污染水平A組間增加16.63%～21.78%(平均值m=19.98%),其中,T1～T4水平的單株生物量與A組間差異顯著(n=60, p＜0.05).根冠比增加 20.58%～24.62%(m= 22.52%),與同一污染水平A組間差異顯著(n=60, p＜0.05).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明,蚯蚓活動(dòng)對(duì)菲污染土壤中植物生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用.

圖1 不同污染水平下紫花苜蓿的生長(zhǎng)狀況示意圖

2.2 蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤—植物系統(tǒng)中菲去除的影響

表1顯示,添加蚯蚓后,土壤—植物系統(tǒng)(TR4)中菲的殘留量明顯低于同一污染水平A組:試驗(yàn)結(jié)束時(shí),B組土壤中殘留量與種植紫花苜蓿的A組(TR4)間差異顯著(n=5,p＜0.05),但與無紫花苜蓿生長(zhǎng)的A組(CK2)間差異達(dá)到極顯著水平(n=5,p＜0.01).此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,蚯蚓活動(dòng)促進(jìn)了土壤中菲的去除.

表1 不同處理?xiàng)l件下土壤中菲的殘留量

依照去除率(R=(C0-Ct)×100%/C0),可推算土壤中菲的去除情況.計(jì)算結(jié)果顯示,種植紫花苜蓿的土壤中菲去除率普遍高于同一污染水平的其他處理.T1～T5范圍內(nèi),B組土壤(TR4)中平均去除率高達(dá)73.42%(58.60%～81.82%);A組(TR4)去除率為64.02%(50.45%～76.01%),而無植物對(duì)照組(CK2)中僅為22.57%(14.73%～30.08%).

此外,相同處理?xiàng)l件下,同一污染水平A、B組土壤中菲的去除率差異反映了蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤菲污染修復(fù)效果的影響程度(見圖2).從圖2可以看出,不同污染水平下,蚯蚓活動(dòng)對(duì)菲去除的強(qiáng)化程度也不一樣.中度污染(T3)時(shí)強(qiáng)化程度最高(12.16%),重污染(T5)時(shí)次之(8.14%),低污染(T1)時(shí)僅為5.82%.

圖2 不同污染水平下菲的強(qiáng)化去除差異

2.3 蚯蚓活動(dòng)對(duì)植物富集菲的影響

基于土壤殘留濃度與植物積累濃度,可推算植物對(duì)菲的根系濃縮系數(shù)與莖葉濃縮系數(shù)(RCFs or SCFs,root or shoot concentration factors)(見圖3).從圖3可以看出,隨著初始添加濃度的遞增,積累濃度逐漸增大,而RCFs、SCFs則逐漸減小;相同污染水平下,有蚯蚓作用時(shí)植物組織中的積累濃度與濃縮系數(shù)均小于無蚯蚓時(shí).如 T1～T5范圍內(nèi),無蚯蚓作用時(shí)根系、莖葉部積累濃度為35.13(8.94～85.22)、6.92(1.90～16.58)mg·kg-1,有蚯蚓作用時(shí)分別為25.45(5.96～68.33)、4.92(1.21～12.98)mg·kg-1;無蚯蚓作用時(shí)RCFs、SCFs為1.02(0.54～1.86)、0.21(0.11～0.40),有蚯蚓作用時(shí)分別為0.92(0.51～1.63)、0.18(0.09～0.33).

圖3 植物組織對(duì)菲的積累作用

在圖3中,RE、SE和RN、SN分別代表有蚯蚓和無蚯蚓作用時(shí)菲在根系、莖葉部的積累濃度,同一污染水平上不同字母表示濃度差異顯著(p＜0.05); RCFs-E、SCFs-E和RCFs-N、SCFs-N分別為對(duì)應(yīng)的根系、莖葉部菲濃縮系數(shù).

2.4 蚯蚓對(duì)菲去除的強(qiáng)化途徑

土壤中菲的去除主要源于各種非生物因素(如吸附、光解、揮發(fā)等)和生物因素(如植物代謝、積累、微生物降解、植物—微生物交互作用等)的共同作用[8].如果用 Ta、Td、Tc、Tm、Tpm分別代表非生物損失、植物代謝、積累、微生物降解、植物—微生物交互作用在菲去除過程中的貢獻(xiàn)率,用R1、R2、R3、R4代表未添加蚯蚓時(shí) CK1、CK2、TR3、TR4處理中菲的表觀去除率,則有:

B組土壤中,因蚯蚓組織對(duì)菲的直接吸收作用以及蚯蚓活動(dòng)對(duì)各種生物、非生物因子可能產(chǎn)生的強(qiáng)化去除作用,B組 CK1、CK2、TR3、TR4處理中菲的表觀去除率變化可分別表述為:式中:ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4分別代表添加蚯蚓后CK1、CK2、TR3、TR4中菲去除率與相同處理?xiàng)l件下A組土壤中去除率的變化值;Tea、Tec、Ted、Tem、Tepm代表蚯蚓活動(dòng)所引起的Ta、Tc、Td、Tm、Tpm變化量,Te代表蚯蚓組織直接吸收作用對(duì)菲去除的貢獻(xiàn)率.

由不同處理?xiàng)l件下土壤、蚯蚓組織、植物組織中菲含量,得出各修復(fù)因子在菲去除過程中的貢獻(xiàn)率如表2所示.

與A組相比,蚯蚓活動(dòng)使土壤—植物系統(tǒng)(TR4)中菲的平均去除率提高了9.40%,其中被蚯蚓組織積累部分僅占總添加量的0.06%,這說明蚯蚓的直接吸收作用并不是菲被強(qiáng)化去除的主要途徑.試驗(yàn)過程中,非生物性損失、植物代謝對(duì)菲去除的平均強(qiáng)化率僅為0.15%、0.39%,二者也不是菲被強(qiáng)化去除的主要途徑.相比之下,微生物降解、植物—微生物交互作用對(duì)菲去除的貢獻(xiàn)率變化較大,前者較A組(17.47%)提高了2.66%,后者較A組(37.97%)提高了 6.12%,分別占強(qiáng)化去除部分的28.39%、65.14%.

表2 生物、非生物因子在修復(fù)菲污染土壤過程中的貢獻(xiàn)率/‰

3 討 論

研究表明[10-11],植物—微生物交互作用是土壤—植物系統(tǒng)中 PAHs去除的主要途徑.因根系分泌物的種類、性質(zhì)、生理活性存在一定的種間差異,其根際降解效應(yīng)可能也不一樣[12-13];對(duì)污染物的忍耐性、污染環(huán)境中根系活動(dòng)狀態(tài)是篩選修復(fù)植物的重要參數(shù).本研究中,紫花苜蓿能夠在菲污染土壤中正常生長(zhǎng),其單株生物量、根冠比與對(duì)照組間無明顯差異,說明紫花苜蓿是適合用作菲污染土壤的修復(fù)植物[6].

試驗(yàn)期間,土壤—植物系統(tǒng)(TR4)中菲的平均去除率由64.02%上升至73.42%,強(qiáng)化去除率高達(dá)9.40%.其中,28.39%的強(qiáng)化部分源于微生物降解, 65.14%的強(qiáng)化部分源于植物—微生物交互作用.這說明蚯蚓在植物修復(fù)土壤菲污染過程中所表現(xiàn)出的強(qiáng)化效應(yīng)主要是通過植物—微生物交互作用實(shí)現(xiàn)的.Schaefer等[14]認(rèn)為,蚯蚓活動(dòng)不僅能提高土壤養(yǎng)分的有效性和周轉(zhuǎn)率,蚓糞中 N、P成分及其他營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)促進(jìn)土壤微生物的種群數(shù)量的增長(zhǎng)、提高其代謝活性也具有重要作用.Singleton[15]等證實(shí),蚯蚓腸道中假單胞菌(Pseudomonas)、乳桿菌(Acidobacterium)以及青霉菌(Penicillium)、毛霉菌(Mucor)以及曲霉菌(Aspergillus)對(duì) PAHs具有明顯的降解作用.本研究也顯示:中等污染水平(81.05 mg·kg-1)下蚯蚓活動(dòng)對(duì)菲去除的強(qiáng)化效果最好(12.16%).這可能與低污染條件下環(huán)境中污染物的生物可利用性較低[13],高污染條件下微生物受污染物的毒害作用,降解活性被抑制[7]有關(guān).

盡管被蚯蚓組織所積累的菲相當(dāng)有限(0.06%),但蚯蚓活動(dòng)改善了土壤的理化性質(zhì)、生態(tài)功能[16],尤其是土壤中通氣狀況的改善[17]對(duì)促進(jìn)土壤—植物系統(tǒng)中菲的生物降解至關(guān)重要.Mallakin等[4]認(rèn)為,對(duì)于具有較穩(wěn)定π鍵結(jié)構(gòu)的PAHs分子而言,充足的氧氣供給不僅能促進(jìn)PAHs的起始氧化過程,也能間接地促進(jìn)土壤中好氧微生物的生長(zhǎng),并強(qiáng)化其降解活性.此外,蚯蚓活動(dòng)對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)的促進(jìn),尤其是對(duì)其根系生長(zhǎng)的促進(jìn)作用,對(duì)擴(kuò)大其根際效應(yīng)范圍,強(qiáng)化植物—微生物交互作用也具有十分重要的作用.

值得注意的是,與相同污染水平下土壤—植物系統(tǒng)相比,添加蚯蚓后菲在植物組織中積累濃度均明顯低于A組(n=5,p＜0.05),植物積累對(duì)菲去除的貢獻(xiàn)率也略小于A組,這可能與蚯蚓活動(dòng)促進(jìn)了土壤—植物系統(tǒng)對(duì)菲的去除、殘留濃度較低、可供根系吸收利用的菲資源相對(duì)較少有關(guān).該現(xiàn)象也說明,蚯蚓活動(dòng)能在一定程度上減少植物組織對(duì)污染土壤中菲的積累,降低其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

4 結(jié) 論

在20.05～322.06 mg·kg-1菲污染土壤中,蚯蚓活動(dòng)促進(jìn)了修復(fù)植物紫花苜蓿的生長(zhǎng),提高了污染土壤的修復(fù)效果:70 d后,土壤—植物系統(tǒng)中菲的平均去除率(73.42%)比無蚯蚓活動(dòng)時(shí)(64.02%)提高9.40%,中度污染(81.05 mg·kg-1)時(shí)強(qiáng)化效應(yīng)最顯著(12.16%);但被修復(fù)植物積累的菲少于相同污染水平無蚯蚓活動(dòng)時(shí),所有修復(fù)因子中,植物—微生物交互作用對(duì)菲去除的貢獻(xiàn)率(44.09%)較無蚯蚓時(shí)提高6.12%,占總強(qiáng)化部分的65.14%.試驗(yàn)表明,土壤動(dòng)物(蚯蚓)的活動(dòng)可借助植物—微生物交互作用進(jìn)一步強(qiáng)化植物(紫花苜蓿)修復(fù)永久性有機(jī)污染物(菲)污染土壤的去除作用.

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