多氯联苯复合污染农田土壤的植物协同修复效应

孙向辉,滕 应,骆永明*,吴龙华,李振高(.中国科学院南京土壤研究所,土壤环境与污染修复重点实验室,江苏 南京 20008；2.中国科学院研究生院,北京 00049)

多氯联苯复合污染农田土壤的植物协同修复效应

孙向辉1,2,滕 应1,骆永明1*,吴龙华1,李振高1(1.中国科学院南京土壤研究所,土壤环境与污染修复重点实验室,江苏 南京 210008；2.中国科学院研究生院,北京 100049)

采用田间微域试验,初步研究了紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天在不同栽培模式下对多氯联苯(PCBs)复合污染农田土壤的协同修复作用.结果表明,紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天混作对PCBs复合污染土壤的修复效果明显高于紫花苜蓿单作,其中紫花苜蓿-海州香薷混作、紫花苜蓿-海州香薷-伴矿景天混作种植120d后,土壤中PCBs含量比紫花苜蓿单作时分别降低43.0%和47.8%,强化效果显著.与紫花苜蓿单作相比,紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天混作可有效提高植株总生物量,增强植物对土壤中PCBs的吸收富集能力.土壤PCBs同系物分析结果表明,种植植物可有效降低土壤中低氯代PCBs含量,植物混作栽培模式可以促进高氯代PCBs组分向低氯代PCBs组分的转变.可见,紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天混作对多氯联苯复合污染农田土壤具有较好的协同修复作用.

多氯联苯；农田土壤；混作；植物修复

Abstract：A field microzone experiment was carried out to study the co-remediation effect of PCBs contaminated farmland soils under different planting models for using three plant species, alfalfa( Medicago sativa L), Elsholtzia splendens and Sedum plumbizincicola. The results indicated that mixed croppings of alfalfa with Elsholtzia splendens or Sedum plumbizincicola could enhance PCBs removal in soils compared to the monoculture with alfalfa. About 43.0% of PCBs were removed from the soils in mixed cropping of alfalfa and Elsholtzia splendens at the end of the 120d experiment, and 47.8% in mixed cropping of three plants. The mixed croppings of alfalfa with Elsholtzia splendens or Sedum plumbizincicola could increase the total biomass of plants, facilitate the uptake and accumulation of the PCBs in plants. Analysis of PCBs composition showed that the planted treatments could decrease the concentration of lower chlorinated PCBs in soils, and multi-species phytoremediation could improve the transformation of higher chlorinated PCBs into lower chlorinated PCBs. The mixed croppings of alfalfa with Elsholtzia splendens or Sedum plumbizincicola show a good potential in the remediation of PCBs contaminated farmland soils.

Key words：PCBs；farmland soils；mixed cropping；phytoremediation

多氯联苯(PCBs)污染农田土壤的生物修复已成为当今土壤环境科学技术领域的关注热点[1-4].目前,治理此类污染土壤的生物方法主要有微生物修复、植物修复及其两者的联合修复,其中植物修复由于具有成本低、安全、无二次污染等优点,愈来愈受到人们的高度关注[5-7],如豆科植物紫花苜蓿已被广泛用于PCBs污染土壤的植物修复技术中[8-9].

目前,多氯联苯污染土壤的植物修复技术所采取的途径多是种植单一的修复型植物.然而,作者前期研究表明,长江三角洲某PCBs典型污染区农田土壤中不仅存在PCBs污染,同时还存在一定程度Cu、Cd污染[10].土壤介质中的有机污染物可以与重金属发生各种联合作用,如协同、拮抗、相加等[11],从而影响植物对土壤中有机污染物的修复效率.有研究表明,不同植物对污染物的积累、代谢能力不同[12],如海州香薷对Cu具有较强富集能力[13]、伴矿景天被认为是一种镉锌超积累植物[14],而且,本课题组发现海州香薷和伴矿景天对于PCBs污染土壤也有一定的修复作用.对于PCBs复合污染土壤,是否可以通过上述几种植物的混作栽培模式,在控制土壤中Cu、Cd污染的同时,进一步强化植物对PCBs污染土壤的修复效果,有关这方面的研究鲜见报道.鉴于此,本研究以长江三角洲某典型PCBs复合污染农田土壤为研究对象,拟选择紫花苜蓿、海州香薷、伴矿景天作为修复植物,研究混作栽培模式下植物对PCBs复合污染农田土壤的协同修复效应,以期为研发PCBs复合污染土壤的植物修复技术提供依据.

1 材料与方法

1.1供试材料

供试植物:紫花苜蓿(Medicago sativa L),种子购于江苏省农业科学院;海州香薷(E. splendens),种子采自浙江省诸暨铜矿区;伴矿景天(Sedum plumbizincicola),幼苗采自浙江淳安,通过扦插的方式培育新植株,在试验区设置苗床,备用.

PCBs混合标准样品(包括PCB8、PCB18、PCB28、PCB44、PCB52、PCB66、PCB77、PCB101、PCB105、PCB118、PCB126、PCB128、PCB138、PCB153、PCB170、PCB180、PCB195、PCB200、PCB206、PCB209)购自百灵威公司.丙酮、正己烷等有机溶剂均为分析纯,重蒸后使用.硫酸为优级纯,无水硫酸钠为分析纯.硅胶(100～200目)和无水硫酸钠参照美国EPA测试方法3550B和3630C进行处理[15-16].

1.2试验方案设计与实施

试验在长江三角洲某典型PCBs复合污染的农田中进行,土壤类型为水稻土,成土母质为海相沉积物,系统分类属铁聚水耕人为土.供试土壤的PCBs浓度为300～339µg/kg,pH值为4.56,有机质含量为36.5g/kg,全氮、全磷、全钾分别为2.10、 0.60和19.7g/kg.取该农田耕层土壤(0～20cm),去除植物根系、石砾等残留物,拌匀,备用.考虑到供试土壤pH值偏低,而紫花苜蓿不宜在酸性土壤上生长[17],对部分供试土壤添加石灰处理,土壤拌匀后放置2d,调节后土壤pH值为5.66.

采取田间微域试验设计,在该农田中放置无底的PVC圆筒(高度 30cm,直径30cm,圆筒高出表层土壤10cm,防止桶内外物质互换),桶内加入供试土壤,得到本实验的田间微域.田间微域试验设6个处理,分别为对照(CK)、对照施石灰[CK(Ca)]、单种紫花苜蓿施石灰[A(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷混播施石灰[AE(Ca)]、紫花苜蓿+伴矿景天混播施石灰[AS(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷+伴矿景天混播施石灰[AES(Ca)],每处理设3次重复,随机排列.紫花苜蓿和海州香薷以穴播方式播种,伴矿景天以扦插方式种植.试验进行120 d后,采集植物样品和土壤样品,土壤样品室温风干,过60目筛,冷冻干燥后待测.植物样品采集后,用蒸馏水洗净,分成根、茎叶两部分,其中伴矿景天由于为浅根系植物,仅采集地上部分,样品用吸水纸擦干,50℃烘干称重,粉碎待测.

1.3PCBs提取与分析

称取样品(土壤样品10g,植物样品2g)放入玻璃离心管,用30mL正己烷-丙酮提取液(V/V=1:1)浸提过夜后,25℃超声提取15min, 1500rpm离心5min,收集提取液.再分别用20mL同样的提取液超声提取两次,每次15min,合并3次提取液,旋转蒸发至近干,加入5mL正己烷进行溶液替换,浓缩至2mL后转入复合硅胶柱进行纯化.复合硅胶柱(长250mm,内径10mm) 内依次装填硅胶、中性氧化铝、酸性硅胶和无水硫酸钠(W/W = 2:2:1:1).用10mL正己烷淋洗该柱,弃去淋洗液,然后加入处理后的样品提取液,用25mL正己烷洗脱,洗脱液旋转蒸发浓缩,用正己烷定容至5mL备测.

色谱条件:采用带有电子俘获检测器和自动进样器的Varian 3800型气相色谱仪分析.色谱柱:CP-sil24CB (30m×0.25mm×0.25µm),进样温度为260,℃检测器温度为300.℃程序升温:初始温度为180,℃保留0.5min,30/min℃梯度升温至260,℃持续l8min,然后15/min℃梯度升温至270,℃持续2min.无分流进样lµL,载气为高纯氮,流速为1.0mL/min.

质量控制:在样品分析过程中进行方法空白、基质加标、平行样以及加标回收测定.21种PCBs混标(10µg/kg)的基质加标平均回收率是71.97%～109.79%,相对标准偏差是3.13%～57.25%,仪器检测限为1.43～5.10µg/kg,方法检出限为1.33～3.45µg/kg.采用七点校正法得到标准物质的校正曲线,根据保留时间对目标化合物进行定性分析,采用峰面积积分法进行定量计算.

1.4土壤基本理化性质分析

土壤pH值为1:2.5土液比浸提,pH计测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定;全氮含量采用半微量开氏法测定;采用HClO4-HF消解土壤,钼锑抗比色法测定全磷含量,火焰光度计测定全钾含量,具体方法参见鲁如坤编《土壤农业化学分析方法》[18].

1.5数据统计分析

所有实验数据用Microsoft Excel 2003和SPSS 14.0统计软件实现.

2 结果与分析

2.1土壤中PCBs含量及组分变化

由图1可见,与对照(CK)相比,添加石灰[CK(Ca)]]可以显著降低土壤中PCBs含量,下降程度达24.9%,这可能是由于添加石灰可以增加土壤中微生物数量[19],从而增加土著微生物对PCBs的降解作用.与对照添加石灰[CK(Ca)]相比,种植紫花苜蓿+石灰[A(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷+石灰[AE(Ca)]、紫花苜蓿+伴矿景天+石灰[AS(Ca)]、紫花苜蓿+海州香薷+伴矿景天+石灰[AES(Ca)]均可以有效降低土壤中PCBs含量,下降程度分别为7.4%、19.9%、43.0%、47.8%,其中AS(Ca)和AES(Ca)处理与CK(Ca)处理之间达到显著差异(P＜0.05).可见,紫花苜蓿单作可降低土壤中PCBs含量,这与Mehmannavaz等[8]研究结果相似.有研究表明,多种植物联合种植对疏水性有机物PAHs的修复效果明显超过单一植物[20-21].本研究发现,紫花苜蓿与其他植物混作可有效强化紫花苜蓿单作对PCBs污染土壤的修复效果,其中紫花苜蓿与伴矿景天混作栽培模式[AS(Ca)、AES(Ca)]强化效果最为显著,这可能是由于试验供试土壤为PCBs-重金属复合污染土壤,伴矿景天作为一种锌镉超积累植物,可以有效降低土壤中锌镉含量[22],从而改善植物生长环境,促进植物及土壤中微生物的生长,提高其对土壤中PCBs的降解能力.

图1 不同处理下土壤中PCBs含量及组分变化Fig.1 The concentration of PCBs congeners in soils under different treatments

从图1可知,土壤中PCBs大部分以低氯组分(＜6 个氯原子的PCBs组分)为主,可占土壤中PCBs总量的78.7%以上.PCBs生物降解程度与氯原子数目有关,随氯原子数目增多,PCBs的降解率下降[23-24].与对照(CK)相比,添加石灰处理[CK(Ca)]土壤中各氯代联苯数量均有不同程度的下降,其中以二氯组分下降最为明显,下降程度达51.4%.与对照添加石灰[CK(Ca)]相比,紫花苜蓿单作[A(Ca)]土壤中三氯、四氯组分有一定程度下降,但处理间无显著差异,紫花苜蓿与海州香薷或伴矿景天混作[AE(Ca)、AS(Ca)、AES(Ca)]可显著降低土壤中四氯、五氯及高氯组分(≥6 个氯原子的PCBs组分)含量,且紫花苜蓿与海州香薷混作[AE(Ca)]可极显著增加土壤中三氯组分含量(P＜0.01).可见,对于PCBs复合污染土壤,紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天混作可促进土壤中四氯及以上PCBs组分向二氯、三氯PCBs组分的转变,从而加强植物对土壤中PCBs的修复效应.

2.2植物各部位生物量变化

由表1可知,与紫花苜蓿单作[A(Ca)]相比,紫花苜蓿与伴矿景天混作[AS(Ca)]植物地上部总生物量并无发现明显变化,但根部生物量略有降低,这可能与伴矿景天为浅根系植物,而本文中伴矿景天可收获部分均按地上部计有关;紫花苜蓿与海州香薷混作[AE(Ca)]、紫花苜蓿与海州香薷和伴矿景天混作[AES(Ca)]极显著增加植物地上部总生物量,但根部生物量无明显变化,这可能与海州香薷生长速度快、生物量大、同时为良好的Cu耐性植物有关[25].总体来看,与紫花苜蓿单作相比,紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天混作,微域中植株总生物量仍有所提高.

表1 不同处理下植物地上部和根生物量变化Table 1 Biomass of the plant shoots and roots under different treatments

2.3植物各部位PCBs含量变化

植物对PCBs的直接吸收代谢是植物修复PCBs污染土壤的一个重要机制[26].由图2可知,不同处理条件下,植物地上部PCBs含量范围为121.9～149.9µg/kg,处理之间无显著差异,植物根部PCBs含量范围为70.5～168.4µg/kg,处理间差异显著.总体来说,植物地上部PCBs含量略高于根部,这与Aslund等[27]、徐莉等[10]的报道结果相反.有研究表明,植物叶片对PCBs的富集与大气颗粒物PM10中PCBs浓度呈正相关关系[28],大气颗粒物沉降也是造成植物叶片中PCBs浓度积累的原因之一[29].通过对生育期内试验区周边大气颗粒物PM10的采集和分析,我们发现生育期内该区大气PM10中PCBs含量高达170.8ng/m3,由此推测,植物地上部PCBs的大量富集可能与大气颗粒物的沉降有关.

从图2还可看出,紫花苜蓿单作[A(Ca)]处理中紫花苜蓿根部PCBs含量最低,仅为70.5µg/kg.与紫花苜蓿单作[A(Ca)]相比,紫花苜蓿与海州香薷或伴矿景天混作[AE(Ca)、AS(Ca)、AES(Ca)],紫花苜蓿根部PCBs含量均极显著增加,其中AE(Ca)和AES(Ca)处理紫花苜蓿根部PCBs含量分别增加119.0%和139.0%,极显著高于AS(Ca)处理.不同处理条件下,海州香薷根部PCBs含量以三种植物混作[AES(Ca)]处理最高,极显著高于AE(Ca)处理,且各处理中海州香薷根部PCBs含量均低于紫花苜蓿,其中AE(Ca)处理达极显著水平.可见,紫花苜蓿较海州香薷和伴矿景天而言,对于疏水性有机物PCBs具有更强的吸收积累能力,这可能与植物本身的特性有关.有研究报道,紫花苜蓿为须根系豆科牧草植物,根系发达,根表面积大,从而更易大量吸附土壤中PCBs[30].同时,与紫花苜蓿单作相比,紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天混作可以有效提高植物根部对土壤中PCBs的吸收富集能力,这说明混作栽培模式下植物体对PCBs吸收积累能力的增强是其强化PCBs污染土壤修复的一个因素.Aslund等[31]的研究结果也表明,植物的直接吸收能够显著降低土壤中PCBs的浓度,是植物修复PCBs的作用机制之一.

图2 不同处理下植株地上部与根部PCBs含量变化Fig.2 The concentration of PCBs in the plant shoots and roots under different treatments

3 结论

3.1紫花苜蓿单作可有效去除土壤中PCBs,与海州香薷、伴矿景天混作可明显强化该修复效应,其中以3种植物混作强化效果最好,达到47.8%.

3.2与紫花苜蓿单作相比,紫花苜蓿与海州香薷、伴矿景天混作可提高植物总生物量,同时促进了植物对土壤中PCBs的吸收富集.

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致谢：本试验的样品采集和分析工作得到中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室涂晨、李秀芬、马婷婷同学的帮助,试验实施得到浙江省台州市路桥区农林局梁启智老师的帮助,在此表示感谢.

Combined phytoremediation effect of several plants in PCBs contaminated farmland soils.

SUN Xiang-hui1,2, TENG Ying1, LUO Yong-ming1*, WU Long-hua1, LI Zhen-gao1(1.Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2010,30(9)：1281～1286

X17;S154.36

A

1000-6923(2010)09-1281-06

孙向辉(1980-),女,河南洛阳人,中国科学院南京土壤研究所博士研究生,主要从事土壤环境生物修复方面的研究.

2010-01-19

国家自然科学基金资助项目(40921061,40701080);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-404, CXTD-Z2005-4);农业部公益性行业科技专项资助(200803034)

* 责任作者, 研究员, ymluo@issas.ac.cn