混种模式对土壤中PAHs污染的强化修复作用

吴云霄

延安大学生命科学学院，陕西 延安 716000

混种模式对土壤中PAHs污染的强化修复作用

吴云霄

延安大学生命科学学院，陕西 延安 716000

以菲、芘为多环芳烃（PAHs）的代表，选择多环芳烃初始浓度在20.05～322.06 mg·kg-1的污染土壤为研究对象，采用温室盆栽的方法，选用三叶草（Trifolium repens）单种、紫花苜蓿（Medicago sativa）单种和三叶草-紫花苜蓿混种3种模式，通过测定实验70 d后土壤中PAHs的浓度，研究不同种植模式下植物对PAHs污染的去除效果和修复机制。结果表明，（1）在实验浓度范围内，在三叶草和紫花苜蓿混种模式下，土壤中PAHs的去除率最高，明显高于单种模式。在70 d的实验期间，约有75.47%的菲和68.28%的芘被降解，而单种模式下三叶草和紫花苜蓿对菲的降解率分别为31.79%和64.03%，对芘的降解率分别为27.97%和52.18%。（2）相同污染水平下，茎叶部PAHs的含量低于根部，菲的含量低于芘，混种模式下植物体内 PAHs的含量低于单种模式下的含量。（3）生物作用对土壤中菲的去除率在三叶草、紫花苜蓿组和混合组中分别为26.69%、58.98%和69.84%，对芘的去除率分别为25.29%、48.98%和65.86%，明显高于非生物作用。在生物作用中植物-微生物的联合效应是最主要的，在三叶草组、紫花苜蓿组和混合组中对菲、芘的去除率分别为6.95%、34.85%、42.95%和6.3%、26.78%、38.98%。微生物作用在各种模式下相同，混种模式下，植物作用、植物-微生物联合效应均高于单种模式。说明借助多物种混合种植模式对改善PAHs污染土壤修复效果、减少植物体内PAHs积累和缓解生态风险具有可行性。

植物修复；多环芳烃；混种模式；土壤

多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）是一类广泛存在于环境中、由有机物不完全燃烧或高温裂解而产生的持久性有机污染物。PAHs性质稳定、水溶性差，在土壤中有逐年积累的趋势（王伟等，2015）。在中国，农田土壤PAHs 背景值在10～20 µg·kg-1，部分区域已达到102～104µg·kg-1（Li等，2006）。由于其致毒性、致突变性和致癌性（刘魏魏等，2010），严重威胁着土壤的生态安全、农产品质量和人类健康。修复土壤PAHs污染已成为环境领域的热点问题（潘声旺等，2009）。植物修复技术由于其方便、成本低和环境可承受性，成为一种很有前途的土壤修复方法（Parrish等，2005；Xu等，2006）。植物修复主要是通过植物生长加强根际微生物活性或其种群结构来提高土著微生物对污染物的降解率（Binet等，2000；Chen等，2003；Kamath等，2004）。目前对植物修复土壤中 PAHs的研究较多，但主要研究的是南方的一些植物种类，北方植物种类比较少，但延安当地土壤中多环芳烃污染比较严重。本研究选择当地常见且适应能力强的三叶草（Trifolium repens）和紫花苜蓿（Medicago sativa）两种植物为研究对象，研究混种模式下植物对土壤中PAHs的修复作用，评价其修复效果，为本地区选择合理的植物修复技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

以菲（Phe）和芘（Pyr）作为PAHs的代表，购自德国Fluka公司，纯度> 97%。

土壤样品采自延安大学实验农场0～20 cm的地表深度。土壤类型为碱性黄绵土，pH值为 8.18，有机质含量14.5 mg·kg-1，无PAHs污染史。先风干，过3 mm筛，将定量的菲、芘（由污染水平、用土量估算）经丙酮单独溶解后，均匀洒在土样表层，待丙酮挥发后，多次搅拌、混匀，制得6个污染水平（表1）。将处理过的土壤装入盆中（每盆1.5 kg），50%田间持水量下室内平衡4 d 后待用。

表1 土壤中PAHs的初始质量分数Table 1 Initial contents of PAHs in soils mg·kg-1

植物的种子用 φ=10%的过氧化氢溶液消毒 10 min，于潮湿的珍珠岩中在生长室发芽生长 1周，然后选择生长均匀的幼苗移植到实验盆，实验时间为70 d。

1.2 实验设计

盆栽试验于 2012年在延安大学智能温室内进行，试验周期70 d。潘声旺等（2008）试验设计4个处理、重复5次。①处理1（CK1）：土样中加入0.1%NaN3（抑制微生物活性），不种植物；②处理2（CK2）：不种植物，不加NaN3；③处理3（TR3）：种植物（分3个组合：三叶草组(P1)，紫花苜蓿组(P2)以及紫花苜蓿-三叶草混合组(P3)下同），加0.1%NaN3；④处理4（TR4）：种植物，不加NaN3。加标土壤种植盆。处理1和处理3在加水的过程中，每隔两天加一次0.1%的NaN3，确保试验过程中微生物被灭活。NaN3加入方法为依照既定浓度，与定量蒸馏水配制成相应溶液，均匀喷洒在栽培盆的土壤表面。处理盆随机并排放在一个小温室中，每两天交换一次位置。在温室中幼苗移栽3～5 d后间苗，三叶草组每盆留下 3株，紫花苜蓿组每盆留下 10株，混合组每盆留3株三叶草和10株紫花苜蓿幼苗，对水分含量定期进行检查和调整，使其田间持水量大致保持在 50%（称重补水法）；日光透过率保持在 200～300 μmol·m-2·s-1；白天温度保持在20～25 ℃，夜间温度保持在10～15 ℃。由于试验盆比较大，并且植物生长时间仅 70多天，测定时三叶草和紫花苜蓿还是幼苗，竞争作用甚微，可以忽略不计。在移栽70 d后，对土壤和植物进行破坏性取样，进行分析。在分析之前要对土壤和植物组织的水分含量进行测定。

1.3 多环芳烃测定

PAHs测定参考文献（高彦征等，2005）中的方法。超声萃取技术对样品初步处理后，用高效液相色谱-紫外检测法测定菲、芘含量。检测波长菲246 nm，芘235 nm。土壤中菲、芘回收率分别为95.87%、94.36%（N=7, RSD<5.54%）；植物样中分别为94.12%、92.88%（N=7, RSD<5.47%）。

1.4 数据处理

经Excel基础处理后，在SPSS 12.0中用新复极差法（Duncan’s Multiple Range Test, DMRT）检验。PAHs的去除率（R）为：

式中，C0为土壤中PAHs初始质量分数，Ct为取样时土壤中残留质量分数。

2 结果与分析

表2 不同种植模式对土壤中PAHs的去除率Table 2 Removal rates of different planting patterns on PAHs in soils %

2.1 不同种植模式土壤中PAHs的去除率

2.1.1 单种模式与混种模式去除率的比较

依照去除率计算公式（1），求得处理3和处理4条件下不同种植模式对土壤中PAHs去除率（表2）。结果显示：70 d后，随着土壤中初始浓度的增加，土壤中PAHs的去除量逐渐增加，但去除率逐渐减小。处理方式、污染水平相同的情况下，混种模式对土壤中PAHs的去除率最高，明显高于单作模式。而单作模式中，紫花苜蓿单作模式高于三叶草单作模式。如在对菲去除中，以处理4为例，在5次重复中三叶草单作对菲的去除率为 20.92%～42.34%，紫花苜蓿单作对菲的去除率为 56.16%～69.93%，而混作模式对菲的去除率高达 65.17%～83.54%。在其它处理以及对芘的去除中，也表现出同样的规律，说明利用三叶草和紫花苜蓿混种强化修复土壤中PAHs具有可行性。在处理方式和土壤中PAHs初始浓度相同的条件下土壤中菲的去除效果明显好于芘，如处理3中，C3操作中，三叶草组、紫花苜蓿组和混种组对菲的去除率分别为7.35%、11.81%和 14.55%，而对芘的去除率则分别为5.64%、9.73%和 12.96%。土壤中芘的残留浓度高于菲，可能与芘的分子量大、难降解，在土壤中持留性强有关（Reilley等，1996；Zhu和Gao，2004）。

2.1.2 不同种植模式下植物组织中的PAHs含量

图1所示，菲、芘在三叶草和紫花苜蓿组织中的累积量在不同模式下不同。单作模式下，随着初始浓度的增加，菲在三叶草根中的浓度从 2.73 mg·kg-1增加到17.90 mg·kg-1。芘由12.05 mg·kg-1增加到80.88 mg·kg-1。在茎中的累积量，菲在三叶草中的浓度从0.81 mg·kg-1增加到12.06 mg·kg-1，芘由5.49 mg·kg-1增加到38.26 mg·kg-1。在混栽模式下，菲、芘在根部的累积量分别为 1.24～12.09 mg·kg-1和3.99～60.54 mg·kg-1，紫花苜蓿中菲、芘在植物组织中的累积量与三叶草相似。植物组织中菲、芘的含量与土壤中其初始浓度成正相关，根部的含量明显高于茎部的含量，植物体内菲的含量低于芘。值得注意的是，同等污染水平下，混种模式下植物体内菲、芘的含量均低于单种模式下的含量，说明利用混种模式能够降低植物体内菲、芘的含量，从而减小生态风险。

图1 不同种植模式下植物组织中的PAHsFig. 1 PAHs in plant tissues under different planting patterns

植物体内不同部位积累差异可能与植物组织脂肪含量的不均匀性有关，根部的含量高于茎部，说明根部是PAHs在植物体内的主要富集部位，俆圣友等的研究也显示了类似的结果（徐圣友等，2006）。在土壤污染水平相同的情况下，植物根茎部芘的含量比菲高，原因可能是因为芘的化合物分子量较高难于降解。已有研究表明，大多数的亲脂性有机化合物分布在根表皮，因此亲脂性有机化合物从污染土壤中进入植物根部的数量决定于辛醇-水分配系数，土壤浓度越高亲脂性有机化合物的浓度就越高。

2.2 修复机制研究

2.2.1 非生物因素对土壤中PAHs的去除作用

本试验中，0.1%的NaN3是用来抑制微生物活性，CK1中PAHs的去除主要是非生物因素的作用（包括渗滤和非生物降解），CK2中是非生物因素和微生物降解，TR3中主要是非生物因素和植物作用（包括植物代谢和植物积累），TR4中是植物—微生物系统，PAHs的去除是非生物因素、植物作用、微生物降解和植物微生物联系效应共同作用。各类因素的贡献率（即去除因子对PAHs的实际去除量与初始添加量的百分比）可通过各处理中的实验数据可求得（表3），CK1中PAHs的去除率即为非生物因素的贡献率，CK2与CK1中PAHs的去除率之差即为微生物降解作用的贡献率，TR3与 CK1中PAHs的去除率之差为植物作用的贡献率，4种处理结合起来可求得植物-微生物联合效应的贡献率。在PAHs的去除过程中非生物因素包括渗滤和非生物降解，本实验中所有的盆钵滤液中均没有测得PAHs，渗滤损失甚微。非生物因素对菲、芘去除过程中的平均贡献率分别为 5.10%和 2.56%，其对PAHs的去除作用甚微，因此不是PAHs去除的主要因素。

表3 不同因子在去除PAHs过程中的贡献率Table 3 Contributions of each pathway to PAHs degradation %

2.2.2 生物因素对土壤中PAHs的去除作用

对土壤中PAHs有去除作用的生物因素包括植物作用、微生物作用和植物微生物联合效应3个方面的作用。表3所示：不同植物对PAHs去除的贡献率不同，三叶草组中的植物作用以及植物-微生物联合效应的贡献率在3种模式中均为最低，混合组的植物作用以及联合效应的贡献率均最高。紫花苜蓿组低于混合组但明显高于三叶草组。植物作用的贡献率除三叶草单种模式外，紫花苜蓿单种模式和混种模式中植物作用的贡献率都明显高于非生物因素的贡献率。微生物降解的贡献率在3种模式中相同，明显高于植物作用的贡献率和非生物因素的贡献率。除三叶草单种模式外，联合效应在3个方面的贡献率最高，它在三叶草组、紫花苜蓿组和混合组中对去除菲的平均贡献率分别为：6.95%，34.85%和 42.95%，对去除芘的平均贡献率分别为6.3%、26.78%和 38.98%。在三叶草组中微生物降解的贡献率最高。生物因素总的贡献率在3种模式中都明显高于非生物因素的贡献率。三叶草组、紫花苜蓿组和混合组中生物作用对菲、芘去除的平均贡献率分别为：26.69%、58.98%、69.84%和25.29%、48.98%、65.86%。上述结果说明土壤中PAHs的去除主要源于生物因素，其中植物的直接作用不太明显，微生物作用较为明显，而植物-微生物联合效应作用最为明显。并且不同的种植模式中植物-微生物的联合效应不同，混种模式中联合效应最高。所以在修复土壤中PAHs过程中应该增加土壤中微生物活性以及利用混种模式。

3 讨论与结论

3.1 讨论

植物可吸收、累积土壤中的 PAHs，吸收速率与植物自身的生理适应性、PAHs生物有效性呈正相关（潘声旺等，2008）；在氧化还原酶、水解酶等胞外酶的作用下，部分PAHs转化为能被植物细胞直接吸收的小分子物质（Liliana和Maria，2004），部分以原始状态积聚在植物体内。本研究表明，土壤-植物系统对土壤中的菲、芘有明显的去除作用，在三叶草组、紫花苜蓿组和混合组中对菲的去除率分别为31.79%、64.03%和75.47%，对芘的去除率则分别为27.97%、52.18%和72.28%，其中植物直接作用的去除量仅占菲、芘被去除总量的7.15%、10.31%、12.72%和 11.15%、13.42%、16.08%。说明植物直接作用不是土壤-植物系统中菲、芘去除的主要原因。

植物还可通过改变微生物区系结构、增加其数量或提高其活性加快有机污染物降解（Joner和Leyval，2003；许超和夏北成，2007）。本研究中，CK2、CK1的菲、芘残留量差异（即微生物降解作用）分别为17.47%、15.88%，表明土壤（土著微生物）对PAHs污染具有一定的自净能力。

植物释放的根际分泌物和酶有时能促进根际微生物的活性和生物转化作用。植物的存在不仅能增强微生物活性、扩大根际微生物区系的活动范围（Rugh等，2005），还能改善根际土壤的理化性质、提高土壤酶活性，促进PAHs去除（王洪等，2011）；植物-微生物间的交相互作用有时还能降解植物或根际微生物单独作用不能去除的PAHs污染物，联合种植时的修复效果超过单一植物。本研究中，植物-微生物联合效应在修复效果较好的紫花苜蓿组、三叶草-紫花苜蓿混种组中去除的菲、芘量分别占其被去除总量的54.43%、57.22%和51.57%、57.14%，其贡献超过非生物损失、微生物降解、植物直接作用之和；在修复效果较差的三叶草组中，植物-微生物联合效应去除的菲、芘量占其去除总量的21.86%、22.63%。说明植物促进了土著微生物对菲、芘的降解作用，植物微生物联合作用有利于 PAHs污染土壤修复效果的提高。三叶草、紫花苜蓿联合种植时对菲、芘修复效果分别比二者单独种植时高出43.26%、60.38%和11.03%、16.29%，强化效应明显。渗滤、非生物性损失、微生物降解对 PAHs去除的贡献率在各栽培模式下相同，混种模式下对PAHs的强化去除部分主要来源于植物的直接作用、植物-微生物的联合作用。但混种条件下植物直接作用对PAHs的去除贡献率接近与二者单独种植时去除贡献的相加效应，其去除量仅占被添加菲、芘总量的 9.57%和 10.99%，远小于植物-微生物联合作用对菲、芘去平均去除量（分别占其总量的42.85%和38.92%)。可见，混种模式下植物-微生物的联合作用是植物-微生物系统强化修复PAHs污染的主要原因。

3.2 结论

（1）植物修复在PAHs污染土壤治理中有很大的潜力。在试验浓度为 20.05～322.06 mg·kg-1范围内，植物促进了PAHs的降解。

（2）70 d后，混合栽植模式下土壤中PAHs的浓度比单一栽植模式下小，大约有 75.47%的菲和72.28%的芘被降解，而单一的三叶草模式和紫花苜蓿模式对菲的去除率为31.79%和64.03%，对芘的去除率则分别为27.97%和52.18%。

（3）随着土壤中PAHs初始浓度的增加，三叶草或紫花苜蓿从土壤中吸收的数量明显增加，根茎中PAHs的浓度直线上升，其中茎部低于根部、混种模式低于单种模式、菲低于芘。

（4）混栽模式下，植物微生物联合作用对菲和芘的去除率分别为42.85%和38.92%，占菲芘去除总量的57.19%和57.13%。因此，混栽模式可以增强对土壤中PAHs的修复作用。

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Strengthen Phytoremediation on PAHs in Soils by Combined Plants Cultivation

WU Yunxiao
College of Life Science, Yan’an University, Yan’an 716000, China

Took phenanthrene and pyrene as representative of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The experimental period was 70 days. Pot experiments were conducted to investigate the mechanisms of the removal and remediation efficiencies of PAHs under different planting models using two plant species, white clover (Trifolium repens) and alfalfa (Medicago sativa) in a greenhouse. Phytoremediation of PAHs in soils at initial contents ranging from 20.05 to 322.06 mg·kg-1was investigated under different planting patterns, and enhancement mechanisms were analyzed. Results showed that, 1) In the experimental concentration range,the dissipation rate of PAHs in soils growing multispecies was the highest, and was significantly higher than that of monoculture. At the 70d experiment, about 75.47% of Phe and 68.28% of Pyr was removed from the soils under mixed cropping; while only 31.79% and 64.03% of Phe and 27.97% and 52.18% of Pyr were removed under single white clover and alfalfa cropping, respectively. 2) Under the same treatment conditions, the concentrations of PAHs in root or shoot were lower in mixed cropping than that in monoculture, and in the shoot lower than in the root, and phenanthrene content was lower than that of pyr. And 3) the removal rates of phe which was removed by biological effect in clover, alfalfa and mixed groups were 26.69%, 58.98% and 69.84% respectively, the pyrene removal rates were 25.29%, 48.98% and 65.86%, significantly higher than that of non-biological effect. The plant-microbial interaction was the most important of all, the rates of phenanthrene and pyrene in clover, alfalfa group group and mixed group were 6.95%, 34.85%, 42.95% and 6.3%, 26.78%, 38.98%. Effect of microbial indifferent modes was the same. Effect of plants and plant-microbial interaction were higher in mixed mode than that of the single mode. Results from this study suggested a feasibility of the establishment of multispecies phytoremediation to improve the efficiency of bioaugmentation in decontaminating PAHs contaminated soils, decreasing crop accumulations to PAHs and reducing risks associated with PAHs.

phytoremediation; polycyclic aromatic hydrocarbons; mixed cropping mode; soil

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.023

X171.5

A

1674-5906（2015）05-0873-06

吴云霄. 混种模式对土壤中PAHs污染的强化修复作用[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 873-878.

WU Yunxiao. Strengthen Phytoremediation on PAHs in Soils by Combined Plants Cultivation [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 873-878.

国家林业局林业公益性行业科研专项项目（201004064）；陕西省教育厅专项科研计划项目（2013JK0710）

吴云霄（1980年生），女，讲师，硕士，主要从事污染生态学和园林生态学的教学和研究。E-mail:wuyunxiao110@163.com

2014-10-15