紫花苜蓿對DDT污染土壤的修復

李思雯, 李　鵬, 孫麗娜, 鄭冬梅

(沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽　110044)

?

紫花苜蓿對DDT污染土壤的修復

李思雯, 李鵬, 孫麗娜, 鄭冬梅

(沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽110044)

摘要:研究了豆科植物紫花苜蓿(Medicago sativa)對DDT污染土壤的修復情況.在修復性盆栽實驗中添加復合肥肥料、植物根際促生菌X1巴氏葡萄球菌(Staphylococcus pasteuri)和植物根際促生菌X2根癌農(nóng)桿菌(Agrobacterium tumefaciens)作為調(diào)控措施.結(jié)果顯示,紫花苜蓿在同時添加植物根際促生菌X1巴氏葡萄球菌(10.0 mL)和植物根際促生菌X2根癌農(nóng)桿菌(10.0 mL)作為調(diào)控措施的情況下,植物的去除能力最強,去除率可達58.71%;且該實驗組植物長勢良好,生物量可觀,植物體內(nèi)DDT殘留量不高.在權(quán)衡各方面因素下,紫花苜蓿和兩種植物促生菌X1巴氏葡萄球菌和植物根際促生菌X2根癌農(nóng)桿菌被認為是效果最好的植物和調(diào)控措施組合.

關(guān)鍵詞:DDT; 紫花苜蓿; 植物根際促生菌

DDT是一種有機氯農(nóng)藥,屬于持久性有機污染物[1-3].研究表明[4-5]我國土壤DDT污染情況比較廣泛且嚴峻,對人體健康造成嚴重危害,亟需開展污染土壤修復工程.目前植物修復相較于其他修復技術(shù)而言,更適合用于現(xiàn)場修復,不僅經(jīng)濟實用、能源消耗少,更對大面積污染區(qū)域奏效[6-10].

豆科植物紫花苜蓿(Medicagosativa)具有對有機污染物降解效率高、根系發(fā)達等特點,適合用于DDT污染土壤植物修復.但同時也存在修復周期漫長、修復不徹底易殘留等不足.據(jù)文獻可知,肥料可影響土壤中化學成分的變化,激發(fā)土壤中微生物的活性,改變土壤的物理性質(zhì),影響地上部分植物的生長[11-12].植物根際促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria,簡稱PGPR)能夠分泌維生素、生長激素、抗生素,直接或間接地促進植物生長、防止病蟲害、增加作物產(chǎn)量,植物可以從中獲得營養(yǎng),也能增強對環(huán)境的忍耐能力[13].本研究以紫花苜蓿為供試植物,添加復合肥肥料和兩種植物根際促生菌作為調(diào)控措施,進行DDT污染土壤植物修復技術(shù)的優(yōu)化研究,以期能為DDT污染土壤的植物修復技術(shù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù).

1材料與方法

1.1實驗儀器

紫外可見分光光度計(CRY50 美國里安公司),超聲波清洗器(KQ5200DB昆山市超聲儀器公司),離心機(TDL-60B上海金鵬分析儀器有限公司),加速溶劑萃取儀(Dionex ASE300美國),旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海榮化玻璃儀器有限公司),固相萃取裝置(Supelco SPE裝置),Varian CP-3800氣相色譜儀(Varian CP-3800美國瓦里安公司)等.

1.2實驗藥品

硅藻土,丙酮,分析純正己烷,色譜純正己烷,濃硫酸,分析純無水硫酸鈉(500 ℃烘2 h,冷卻后密封儲存?zhèn)溆?,脫脂棉等,以上均購于沈陽禹王化學試劑有限公司.DDT標準樣品(純度99.99%,購于國家標準物質(zhì)研究中心).

1.3實驗方案

選取沈陽市某蔬菜基地(N 41°56.206′;E 122°57.300′)田間土壤作為供試土樣進行盆栽實驗,供試土壤基本理化性質(zhì)見表1.

表1　供試土壤的基本理化性質(zhì)

紫花苜蓿作為供試植物,復合肥肥料(磷酸二銨:N-P2O5-K2O,15-42-0,總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)≥57%)作為調(diào)控措施之一(均購于沈陽農(nóng)業(yè)大學富友種子商店),課題組植物根際促生菌X1巴氏葡萄球菌(Staphylococcuspasteuri)和X2根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)作為其他調(diào)控措施,配置培養(yǎng)基(活化植物根際促生菌):牛肉膏1.50 g,蛋白胨10.00 g,NaCl 5.00 g,瓊脂10.00 g,蒸餾水500 mL,高溫滅菌121 ℃,15 min.在潔凈工作臺上進行菌種轉(zhuǎn)接實驗,重復兩次,將活化后菌種放置于恒溫培養(yǎng)箱中29 ℃培養(yǎng),8～12 h后用紫外可見分光光度計測量,菌液的吸光值OD分別為X1=1.517,X2=1.518(λ=600 nm,純水吸光度為0),噴灑至盆栽中.設置不同的實驗對照組,進行以下處理:A組,不種植植物的空白盆栽作為對照(CK表示);B3組,僅種植植物(Z表示);C3組,種植植物,并施以復合肥肥料F(Z+F表示);D3組,種植植物,并添加植物根際促生菌X1巴氏葡萄球菌10.0 mL(Z+X1表示);E3組,種植植物,并添加植物根際促生菌X2根癌農(nóng)桿菌10.0 mL(Z+X2表示);F3組,種植植物,并同時添加植物根際促生菌X1巴氏葡萄球菌10.0 mL和X2根癌農(nóng)桿菌10.0 mL(Z+X1+X2表示),具體設計如表2所示.

表2　盆栽實驗設計

注: -代表不添加處理; +代表添加處理.

每個實驗組種植三盆作為平行對照,待植物出苗后選取長勢較好的植株保留15株,生長周期設置為60 d,統(tǒng)一處理植物地上部分和地下部分樣品,洗凈后自然風干用粉碎機粉碎后,過0.25 mm孔徑篩,以待上機前前處理.將土壤中的植物根莖、樹葉殘骸、碎屑垃圾等去除,風干后混勻研磨,過0.25 mm孔徑篩,以待上機前前處理.

1.4實驗分析方法

采用實驗室加速溶劑萃取法提取土壤中DDT.樣品萃取:在Dionex ASE300加速溶劑萃取儀的萃取池底部放入纖維濾膜,稱取5.00 g待測土壤樣品與適量硅藻土混合均勻,置于萃取池中,待進行萃取.萃取條件:以分析純正己烷與丙酮按1∶1體積比作為萃取溶劑,預熱平衡時間5 min,靜態(tài)萃取溫度100 ℃,壓力10 342.5 kPa,靜態(tài)萃取時間5 min,淋洗體積為60%萃取池體積,載氣(高純氮氣)吹拖時間100 s,靜態(tài)萃取2次.收集萃取液至集液瓶,然后將集液瓶中的萃取液移至雞心瓶中,用5.0 mL丙酮兩次潤洗,潤洗液一并倒入雞心瓶中,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干,用2.0 mL色譜純正己烷定容,并移至聚四氟乙烯分液漏斗中.

樣品凈化:向上述分液漏斗加5.0 mL濃硫酸,進行磺化,待靜置后上下液面分層,棄去下層無機相濃硫酸溶液,重復上述操作直至上下兩相液體均為無色澄清.然后取質(zhì)量分數(shù)為10%的NaCl溶液5.0 mL清洗樣品,重復兩次.將樣品經(jīng)無水硫酸鈉脫水后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干,用1.0 mL色譜純正己烷定容并轉(zhuǎn)移至氣相色譜小瓶中,待測.

采用超聲萃取法提取植物中DDT.樣品萃取:準確稱量已粉碎的植物地下/地上部分樣品1.00 g,放置于進口離心管中,并加入1.00 g無水硫酸鈉.加入15.0 mL分析純的混合溶劑(V(正己烷):V(丙酮)=4∶1)作為萃取液,超聲30 min后,3 000 r/min離心5 min,將上清液轉(zhuǎn)至雞心瓶中.樣品提取重復3次,合并3次萃取液至雞心瓶中,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干,用2.0 mL色譜純正己烷定容,并將樣品倒入聚四氟乙烯分液漏斗中.樣品凈化同土壤部分實驗.土壤和植物樣品中DDT的加標回收率分別為86.7%～105.2%和84.9%～110.6%.

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

植物對土壤中DDT的去除率(%)=1-植物修復后土壤中DDT的殘留質(zhì)量分數(shù)/植物修復前土壤中DDT的殘留質(zhì)量分數(shù);植物對DDT的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)=[地上部分污染物濃度]/[地下部分污染物濃度];植物對DDT的富集系數(shù)(BCF)=[植物地上部分污染物濃度]/[土壤中污染物濃度][9,14].所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel辦公軟件.

2結(jié)果與分析

2.1紫花苜蓿對土壤中DDT的去除率

由紫花苜蓿修復后土壤中DDT的質(zhì)量分數(shù)與原供試土壤中DDT的質(zhì)量分數(shù)之間的對比,可以得出紫花苜蓿在不同的調(diào)控措施處理下,各實驗組對土壤中DDT的去除率有一定差異.其中F3組(Z+X1+X2)對土壤中DDT的去除率最高,可達58.71%.其他實驗組的去除率從大到小排序依次為C3組(Z+F)、D3組(Z+X1)、E3組(Z+X2)、B3組(Z)、A組(CK),分別為55.38%、43.60%、37.72%、30.47%,而A組(CK)的去除率僅為7.68%,如圖1所示.王玉紅[15]等的研究證明種植紫花苜蓿的土壤中,DDTs含量從0.463～0.238 mg/kg,污染物的去除率大約達到了50%,本實驗中紫花苜蓿對DDT的去除率在30.47%～58.71%,與文獻的結(jié)果相當.

在同時添加兩種促生菌X1和X2的處理下,F3組(Z+X1+X2)去除率最高,菌X1和X2的協(xié)同作用明顯提高了植物的去除能力.在添加復合肥肥料的處理條件下,C3組(Z+F)的去除率也有明顯提升.添加菌X1的處理比添加菌X2的處理更能對紫花苜蓿的去除能力起到促進作用.總體來看,同時添加兩種菌X1和X2對土壤中DDT的去除率產(chǎn)生的影響最為明顯,添加復合肥肥料的效果比單獨添加菌X1或X2更明顯.

圖1　紫花苜蓿對土壤中DDT的去除率

2.2紫花苜蓿生物量

各實驗對照組中的紫花苜蓿長勢一般,生物量較小,圖2所示為紫花苜蓿生物量.其中F3組(Z+X1+X2)的地下部分生物量最大,其他實驗組的地下部分生物量從大到小排序依次為C3組(Z+F)、D3組(Z+X1)、B3組(Z)、E3組(Z+X2).各實驗對照組中地上部分生物量從大到小的排序與地下部分略有不同,分別為F3組(Z+X1+X2)、C3組(Z+F)、D3組(Z+X1)、E3組(Z+X2)、B3組(Z),具體見圖2.

圖2　紫花苜蓿生物量

同時添加植物根際促生菌X1和X2的處理對紫花苜蓿生物量的增長起到最為明顯的促進作用. 添加復合肥肥料的處理也對紫花苜蓿的生長起到一定的作用, 但是單獨植物根際促生菌X1或X2不如肥料的效果明顯, 并且菌X2對紫花苜蓿地下部分生物量的影響幾乎沒有任何意義, 甚至低于不添加任何處理的B3組(Z), 可見添加菌X2對紫花苜蓿的生長不能產(chǎn)生任何促進作用.

2.3紫花苜蓿中DDT殘留質(zhì)量分數(shù)

紫花苜蓿地下部分DDT殘留質(zhì)量分數(shù)從高到低排序依次為D3組(Z+X1)、B3組(Z)、C3組(Z+F)、F3組(Z+X1+X2)、E3組(Z+X2),見圖3.

圖3　紫花苜蓿中DDT殘留量

其中殘留質(zhì)量分數(shù)最高的是D3組(Z+X1),為140.842 ng/g;最低的是E3組(Z+X2),為98.981 ng/g.在添加植物根際促生菌X1處理下,紫花苜蓿地下部分DDT殘留質(zhì)量分數(shù)最高.

紫花苜蓿地上部分DDT殘留質(zhì)量分數(shù)從高到低排序依次為B3組(Z)、F3組(Z+X1+X2)、D3組(Z+X1)、E3組(Z+X2)、C3組(Z+F),見圖3.其中殘留質(zhì)量分數(shù)最高的是B3組(Z),為99.246 ng/g;最低的是C3組(Z+F),為37.787 ng/g.未添加任何調(diào)控措施處理的B3組(Z)的殘留質(zhì)量分數(shù)比添加菌劑和肥料的實驗組都高,且是其他實驗組的兩倍左右.添加調(diào)控措施的實驗組中,添加菌劑實驗組的地上部分DDT殘留質(zhì)量分數(shù)要高于添加肥料實驗組.從整體來看,紫花苜蓿的地下部分殘留質(zhì)量分數(shù)要高于地上部分.

不同處理條件下紫花苜蓿對DDT的轉(zhuǎn)運系數(shù)存在一定差異,B3組(Z)的轉(zhuǎn)運系數(shù)最大,為0.736;C3組(Z+F)的轉(zhuǎn)運系數(shù)最小,為0.313,各實驗組平均值為0.475,具體如圖4所示.不同處理下紫花苜蓿對DDT的富集系數(shù)存在一定差異,B3組(Z)的富集系數(shù)最大,為0.738;E3組(Z+X2)的富集系數(shù)最小,為0.395,各實驗組平均值為0.551(圖4).

圖4　紫花苜蓿轉(zhuǎn)運系數(shù)和富集系數(shù)

從結(jié)果來看,不同處理下紫花苜蓿轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1.在未添加任何調(diào)控措施處理的情況下,紫花苜蓿的轉(zhuǎn)運系數(shù)明顯高于其他實驗組,紫花苜蓿本身對DDT有一定的轉(zhuǎn)運能力,但轉(zhuǎn)運能力在調(diào)控措施的影響下反而弱化.總體而言,紫花苜蓿對DDT的吸收主要固持在植物地下部分.同時發(fā)現(xiàn),未添加任何調(diào)控措施的處理和同時添加兩種植物根際促生菌X1和X2的處理中,紫花苜蓿的富集系數(shù)高于其他實驗組.

3討論

當添加復合肥肥料作為調(diào)控措施時,從去除率來看,C3組(Z+F)>B3組(Z).從生物量來看,C3組(Z+F)>B3組(Z).從植物體內(nèi)DDT殘留質(zhì)量分數(shù)來看,B3組(Z)>C3組(Z+F).從轉(zhuǎn)運系數(shù)和富集系數(shù)來看,B3組(Z)>C3組(Z+F).由此可知,復合肥肥料在提高紫花苜蓿去除率和生物量的方面效果明顯,被認為是一種理想的調(diào)控措施.

當添加植物根際促生菌作為調(diào)控措施時,從去除率來看,F3組(Z+X1+X2)>D3組(Z+X1)>E3組(Z+X2)>B3組(Z),即添加兩種菌X1和X2>添加菌X1>添加菌X2>未添加任何菌劑.從生物量來看,F3組(Z+X1+X2)>D3組(Z+X1)>B3組(Z)>E3組(Z+X2),即添加兩種菌X1和X2>添加菌X1>未添加任何菌劑>添加菌X2.從植物體內(nèi)DDT殘留質(zhì)量分數(shù)來看,B3組(Z)>D3組(Z+X1)>F3組(Z+X1+X2)>E3組(Z+X2),即未添加任何菌劑>添加菌X1>添加兩種菌X1和X2>添加菌X2.從轉(zhuǎn)運系數(shù)來看,B3組(Z)>F3組(Z+X1+X2)>E3組(Z+X2)>D3組(Z+X1),即未添加任何菌劑>添加兩種菌X1和X2>添加菌X2>添加菌X1.從富集系數(shù)來看,B3組(Z)>F3組(Z+X1+X2)>D3組(Z+X1)>E3組(Z+X2),即未添加任何菌劑>添加兩種菌X1和X2>添加菌X1>添加菌X2.由此可知對于紫花苜蓿,同時添加兩種植物根際促生菌X1和X2是效果最好的菌劑措施.

4結(jié)論

(1) 復合肥肥料對紫花苜蓿DDT去除能力有一定的促進作用,同時還可以提高紫花苜蓿的生物量.

(2) 紫花苜蓿+植物根際促生菌X1巴氏葡萄球菌(Staphylococcuspasteuri)和植物根際促生菌X2根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)對DDT污染土壤的去除效果最好,去除率可達58.71%.兩種促生菌的協(xié)同作用能夠提高紫花苜蓿對DDT的去除能力.

參考文獻:

[1] 朱治強. Cd-DDT復合污染土壤的植物與微生物聯(lián)合修復及機理[D]. 杭州:浙江大學, 2012:6-32.

(ZHU Z Q. Plant-microbe remediation of Cd-DDT co-contaminated soils and its mechanisms[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012:6-32.)

[2] 李宛澤. 滴滴涕污染土壤的植物修復研究[D]. 長春:吉林農(nóng)業(yè)大學, 2007:2-4.

(LI W Z. Study on the phytoremediation of DDT in soil[D]. Changchun: Jilin Agriculture University, 2007:2-4.)

[3] 蔣金會. DDT和DDE降解細菌的篩選和降解特性的研究[D]. 泰安:山東農(nóng)業(yè)大學, 2010:6-24.

(JIANG J H. Isolation, identification and degrading characters of DDT and DDE degrading strain DXZ9[D]. Tai’an: Shandong Agriculture University, 2010:6-24.)

[4] TAO S, XU F, WANG X, et al. Organochlorine pesticides in agricultural soil and vegetables from Tianjin, China[J]. Environmental Science & Technology, 2005,39(8):2494-2499.

[5] BEARD J, COLLABORATION A R. DDT and human health[J]. Science of the Total Environment, 2006,355(1):78-89.

[6] ZHANG H, GAO R, JIANG S, et al. Spatial variability of organochlorine pesticides (DDTs and HCHs) in surface soils of farmland in Beijing, China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2006,39(7):1403-1410.

[7] 周際海,袁穎紅,朱志保,等. 土壤有機污染物生物修復技術(shù)研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015,24(2):343-351.

(ZHOU J H, YUAN Y H, ZHU Z B, et al. A review on bioremediation technologies of organic pollutants contaminated soils[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015,24(2):343-351.)

[8] 李玉雙,胡曉鈞,侯永俠,等. 利用白菜修復污灌區(qū)重金屬污染土壤的螯合誘導植物修復技術(shù)[J]. 沈陽大學學報(自然科學版), 2014,26(1):9-13.

(LI Y S, HU X J, HOU Y X, et al. Chelate-induced phytoextraction of heavy metal contaminated soil of irrigation area by cabbage[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2014,26(1):9-13.)

[9] WHITE J C, PARRISH Z D, LSLEYEN M, et al. Uptake of weathered p, p′-DDE by plant species effective at accumulating soil elements[J]. Microchemical Journal, 2005,81(1):148-155.

[10] 安鳳春,莫漢宏,鄭明輝,等. DDT及其主要講解產(chǎn)物污染土壤的植物修復[J]. 環(huán)境化學, 2003,22(1):19-24.

(AN F C, MO H H, ZHENG M H, et al. Phytoremediation of DDT and its main degradation product-contaminated soil using grass[J]. Environmental Chemistry, 2003,22(1):19-24.)

[11] LUPWAYI N, HAQUE I, HOLL F. Strain-specific response of Trifolium semipilosum to inoculation with Rhizobium and the significance of waterlogging in vertisols[J]. The Journal of Agricultural Science, 1997,129(4):439-446.

[12] 李云輝,文榮聯(lián),莫測輝. 土壤有機污染的植物修復研究進展[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學, 2007(12):96-98.

(LI Y H, WEN R L, MO C H. Advances in phytoremediation of organic pollutants in soil[J]. Guangdong Agriculture Science, 2007(12):96-98.)

[13] 楊婷,林先貴,胡君利,等. 叢枝菌根真菌對紫花苜蓿與黑麥草修復多環(huán)芳烴污染土壤的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報, 2009,25(4):72-76.

(YANG T, LIN X G, HU J L, et al. Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi on Pyutoremediation of PAHs-contaminated soil by Medicago sativa and Lolium muhiflorum[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2009,25(4):72-76.)

[14] SUN Y B, ZHOU Q X, AN J, et al. Chelator-enhanced phytoextraction of heavy metals from contaminated soil irrigated by industrial wastewater with the hyperaccumulator plant (Sedum alfredii Hance)[J]. Geoderma, 2009,150(1):106-112.

[15] 王玉紅. 紫花苜蓿(Medicagosativa)對有機氯農(nóng)藥DDT污染土壤的修復研究[D]. 南京:南京林業(yè)大學, 2006:15-30.

(WANG Y H. Remediation of DDTs-contaminated soil byMedicagosativa[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2006:15-30.)

【責任編輯: 曹一萍】

Phytoremediation of DDT-Contaminated Soil byMedicagosativa

LiSiwen,LiPeng,SunLina,ZhengDongmei

(Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation, Ministry of Education, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:Phytoremediation of DDT-contaminated soil by Medicago sativa is studied. Compound fertilizer, Staphylococcus pasteuri, Agrobacterium tumefaciens are taken as adjustment measures. The results show that the best combination of plant and adjustment measures is Medicago sativa with Staphylococcus pasteuri (10.0 mL) and Agrobacterium tumefaciens(10.0 mL), and the removal rate of the best combination could reach up to 58.71%. Because of the strong removal capacity, the vigorous growth, the tremendous biomass and the nethermore residual quantity, Medicago sativa with Staphylococcus pasteuri and Agrobacterium tumefaciens can be used as the best combination.

Key words:DDT; Medicago sativa; plant growth promoting rhizobacteria

中圖分類號:X 53

文獻標志碼:A

文章編號:2095-5456(2016)02-0105-06

作者簡介:李思雯(1990-),女,遼寧開原人,沈陽大學碩士研究生; 李鵬(1958-),男,天津人,沈陽大學教授,博士生導師; 孫麗娜(1960-),女,遼寧北票人,沈陽大學教授,博士生導師.

基金項目:國家重點基礎研究計劃項目(2014CB441106).

收稿日期:2015-11-10