植物与蚯蚓联合修复蒽和镉污染土壤的研究

邵承斌，汪春燕，陈英，腾飞，李宁

（重庆工商大学环境与资源学院，催化与功能有机分子重庆市重点实验室，重庆400067）

植物与蚯蚓联合修复蒽和镉污染土壤的研究

邵承斌，汪春燕，陈英，腾飞，李宁

（重庆工商大学环境与资源学院，催化与功能有机分子重庆市重点实验室，重庆400067）

在盆栽试验中，人工加入不同浓度的蒽、镉污染土壤并投入蚯蚓，分别种植玉米和黑麦草。通过分析土壤中蒽、镉含量的变化情况，研究玉米、黑麦草等根际植物与蚯蚓联用对多环芳烃（蒽）和重金属（镉）污染土壤的修复效果。结果表明：35天后，在含蒽20 mg·kg-1、镉5 mg·kg-1的污染土壤中，黑麦草与蚯蚓联用使污染土样中蒽、镉分别下降了39.4%和64.8%；玉米与蚯蚓联用使污染土样中蒽、镉分别下降了25.2%和64.2%。种植黑麦草并投放蚯蚓，土壤中的细菌总数减少，放线菌和真菌数量增加，土壤蔗糖酶活性显著增强，表明根际植物与蚯蚓联用能提高土壤生物活性，促进植物对蒽镉混合污染土壤的修复。

多环芳烃（蒽）；镉；混合污染；植物根际修复

1 引言

多环芳烃和重金属混合污染已成为当前土壤污染的突出特点[1]。残留在土壤中的多环芳烃和重金属，不仅影响土壤的正常功能和作物产量，降低土壤环境质量，而且可以通过生物富集进入食物链，危及人体健康[1、2]。因此，如何去除土壤中的多环芳烃和重金属，已成为当前环境研究领域的重要课题。

污染土壤的修复方法有物理法、化学法和生物法，其中植物修复技术具有能量消耗低、投入少等特点，最具发展潜力[2、3]。植物修复（Phytoremediation）技术是近年来发展起来的一项主要用于清除环境中有毒污染物的绿色修复技术[4]。植物修复是利用植物的特殊功能，与根际微生物协同作用对污染土壤进行修复。近年来，国内外进行了许多研究，有的已进行了大规模野外试验，并达到了商业化水平[5]。

蚯蚓在改良土壤结构、提高土壤肥力、促进植物生长方面的重要作用，已为许多研究所证明[6、7]。将蚯蚓应用于污染土壤的修复是近年来人们研究的热点，但多局限于单一土壤污染物的去除[8、9]。蚯蚓活动引发的土壤—植物系统理化性质、生态功能的改变，尤其是通气状态的改善，能否对植物修复PAHs（Polycyclic Aromatic Hydrocarbon）和重金属混合污染土壤产生促进作用，相关研究鲜见报道。本研究拟以本地赤子爱胜蚓、黑麦草为试验材料，通过盆栽技术对比研究蚯蚓活动对土壤—植物系统中PAHs和重金属去除效果的影响，旨在为PAHs和重金属污染土壤的生态修复提供试验依据。

2 材料与方法

2.1 供试材料

供试土壤采自重庆工商大学后山蔬菜地0～20 cm表层土壤。采集的土壤经风干磨细后过Ф2 mm尼龙筛，室温下保存。测得土壤的理化性质为：pH 5.8，有机质15.285%，可溶性盐0.466%，离子积2.07，土壤砂砾占26.83%，粉粒占51.67%，黏粒占21.49%。供试植物玉米（Zea mays L.）和黑麦草（Lolium perenne L.）种子由重庆市农业局种子公司购得。蚯蚓为本地赤子爱胜蚓（Eisenia foetida），校园内采挖。供试蒽（C14H10）、镉（Cd）均为分析纯试剂，重庆东方试剂厂生产。

2.2 试验设计

采用盆栽试验，试验周期为95 d。试验设计分为9组：rN为黑麦草＋未污染土样（自然风干）；rL为黑麦草＋蒽镉低浓度污染土样（蒽20 mg·kg-1；镉5 mg·kg-1）；rH为黑麦草＋蒽镉高浓度污染土样（蒽30 mg·kg-1；镉10 mg·kg-1）；reL为黑麦草＋蚯蚓＋蒽镉低浓度污染土样；mN为玉米＋未污染土样；mL为玉米＋蒽镉低浓度污染土样；mH为玉米＋蒽镉高浓度污染土样；meL为玉米＋蚯蚓＋蒽镉低浓度污染土样；ckN为空白未污染；ckL为空白蒽镉低浓度；ckH为空白蒽镉高浓度。每组重复3次。

先用少量甲醇溶解蒽，再用正丁醇定容配制成一定浓度，按试验所需蒽量，加入到少部分供试土壤中，采用逐级等份混合法充分混匀，待有机溶剂完全挥发后（1-2 d），将其全部拌入供试土壤中，充分混匀。再将配制成一定浓度的镉溶液，按试验所需量，加入含蒽的供试土壤中，采用等分法充分混匀，在阴凉通风处放置20 d后装盆，每盆装土1 kg，装盆后称重。加去离子水，使土壤含水量为田间持水量的60%。将苗龄2周，长势一致的玉米苗和黑麦草移栽入盆中。按试验设计，玉米苗每盆3株，黑麦草每盆8株，移栽后初期遮阴，成活后，全部置于露天，每天交换盆钵摆放位置，定时补充水分，维持田间持水量的60%。遇下雨或连晴高温天气，则将盆钵搬至阳光能照射到的实验室过道。生长过程中在第15、35、50、65 d时分别取土样30 g左右，去除植物根系后，置暗处风干，磨细过20目筛，待分析。

2.3 测定方法

2.3.1 土壤中蒽含量的测定

参考景佳佳等的方法[10]，准确称取磨细过20目筛的土样0.1 g，于250 mL具塞锥形瓶中，加入浓度为1 mol·L-1的醋酸铵（CH3COONH4）溶液100 mL，放于恒温振荡器中震荡浸提3 h（25℃180 r·min-1），10℃，3 800 r·min-1冷冻离心10 min，准确移取上清液5 mL于10 mL比色管中，再加入0.1 mol·L-1SDS（十二烷基硫酸钠）溶液2 mL，去离子水定容至刻度，充分混匀后倒入荧光比色皿，在能量差Δλ=50 nm时，测定357 nm处的荧光强度，按标准曲线法定量。

2.3.2 土壤中镉含量的测定

参照GB/T 23 739-2 009法，根据实验室条件略加调整。准确称取阴干磨细的土样5 g，于250 mL硬质锥形瓶中，分别加入1 mol·L-1醋酸铵（CH3COONH4）溶液50.00 mL，放入恒温振荡器中，震荡浸提3 h（25℃r·min-1），震荡结束，于10℃3 800 r·min-1冷冻离心10 min取上清液，通过精密滤纸过滤，去掉初滤液，火焰原子吸收光谱法测定滤液吸光度，标准曲线法定量。

2.3.3 土壤微生物数量的测定

采用稀释平板计数法[11]，细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用马丁氏—孟加拉红培养基，放线菌采用改良高氏1号培养基。微生物数量=每克根际土壤样品的菌数-每克对照样品的菌数。

2.3.4 土壤酶活性的测定[12]

过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，多酚氧化酶活性采用邻苯三酚比色法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶用茚三酮比色法测定。

2.4 数据处理

采用Excel软件进行数据整理，采用SPSS 16.0软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 土壤中蒽含量的变化

不同处理的土壤中蒽含量的变化曲线分别如图1、图2和图3所示。

图1 土壤本底残留蒽随时间的变化趋势Fig.1Variation tendency of residual anthracene in the contaminated soil

图2 低浓度污染土壤残留蒽随时间的变化趋势Fig.2 Variation tendency of residual anthracene in the low contaminated soil（the initial content：20 mg·kg-1of ANT and 5 mg·kg-1of Cd）

图3 高浓度污染土壤残留蒽随时间的变化趋势Fig.3 Variation tendency of residual anthracene in the high contaminated soil（the initial content：30 mg·kg-1of ANT and 10 mg·kg-1of Cd）

由图1看出，对照组10 cm表层土壤中的蒽的含量在最初10天下降明显，但随处理时间延长，下降趋势平缓，这与丁克强等[13]用黑麦草清除土壤中苯并[a]芘的研究结果相似。种了黑麦草或玉米以后，土壤中蒽的含量，35天前随时间变化快速下降，35天以后降低趋势变缓。土壤污染程度不同，处理后残留在土壤中蒽的绝对含量不同，不同浓度蒽污染土壤变化趋势基本一致。蒽进入土壤以后，与土壤发生物理化学反应，同时还要受到土壤微生物分解及雨水冲刷迁移，经过一段时间，土壤中的蒽含量趋于稳定。土壤本身对蒽的去除能力有限，当种植植物之后，由于植物本身对蒽的吸收代谢以及植物根系与土壤的相互作用，加速了土壤中蒽的去除。土壤被蒽污染的程度不同，最后残留在土壤中的绝对量也不同，玉米对低浓度蒽污染土壤的修复效果高于黑麦草，黑麦草对高浓度蒽污染土壤的修复作用强于玉米，如图2、图3所示。

3.2 土壤中镉含量的变化

土壤中镉含量随处理时间的变化趋势分虽如图4、图5和图6。

图4 土壤本底残留镉随时间的变化趋势Fig.4 Variation tendency of residual cadmium in the contaminated soil

图5 低浓度污染土壤残留镉随时间的变化趋势线Fig.5 Variation tendency of residual cadmium in the low contaminated soil

图6 高浓度污染土壤残留镉随时间的变化趋势Fig.6 Variation tendency of residual cadmium in the high contaminated soil

从图4、5、6可以看出，土壤中镉含量随时间变化均有所下降，在无污染土壤中种植玉米或黑麦草，土壤中残存的镉含量动态变化与对照无明显差异；在低污染和高污染土壤中种黑麦草或玉米，与对照比较，除低污染土种玉米外，土壤中的镉残留量均有所下降。低污染土壤种黑麦草和高污染种黑麦草或玉米，土壤中镉残留均达到统计显著性（P＜0.05）。低污染土壤种玉米后土壤中镉的残量甚至略高于对照，但未达到统计显著水平，其原因有待进一步探讨。总趋势为黑麦草对污染土壤中镉的去除效果优于玉米。

3.3 植物与蚯蚓联合应用对土壤中蒽和镉含量的影响

在低污染土壤中种植黑麦草或玉米，再分别放养体重1 g左右的赤子爱胜蚓8条，分析植物与蚯蚓联合应用对土壤中蒽和镉残留量的影响，结果如图7、图8、图9、图10所示。

图7 黑麦草与蚯蚓联合应用对低污染土壤中蒽含量的影响Fig.7 Effect of combined application of rye grass and earthworms on the concentration of ANT in the low contaminated soil

图8 玉米与蚯蚓联合应用对低污染土壤中蒽含量的影响Fig.8 Effect of combined application of maize and earthworms on the concentration of ANT in the low contaminated soil

由图7、图8看出，蚯蚓与黑麦草或玉米联合应用，能够显著降低土壤中蒽的残留。处理后第35天，栽种黑麦草的土壤蒽残留比对照减少了23.8%。蚯蚓与黑麦草联合应用土壤中的蒽残留比对照减少了39.4%，比单种黑麦草土壤蒽残留减少了15.6%。玉米与蚯蚓联用土壤中的蒽残留比对照减少了25.2%，比单用玉米土壤中蒽的残留减少了8.5%。35天以后，黑麦草与蚯蚓联合应用土壤中蒽的减少量较少，而玉米与蚯蚓联合应用效果明显。

图9 黑麦草与蚯蚓联合应用对低污染土壤中镉含量的影响Fig.9 Effect of combined application of rye grass and earthworms on the concentration of cadmium in the low contaminated soil

图10 玉米与蚯蚓联合应用对低污染土壤中镉含量的影响Fig.10 Effect of combined application of maize and earthworms on the concentration of cadmium in the low contaminated soil

图9、图10表明，蚯蚓与黑麦草或玉米联合应用能有效去除土壤中的镉。处理35天后，栽种黑麦草的土壤中镉残留比对照减少了19.8%；蚯蚓与黑麦草联合应用，土壤中的镉残留比对照减少了64.8%；玉米与蚯蚓联用的土壤中镉残留比对照减少了64.2%。35天以后，黑麦草或玉米与蚯蚓联合应用处理，土壤中镉的减少变慢，趋于平缓。

3.4 黑麦草与蚯蚓联合应用对土壤微生物和酶活性的影响

通过稀释平板法测定培养的细菌、真菌和放线菌形成的菌落数（Colony-Forming Units，CFU），可以了解土壤微生物群落的组成。在低污染土壤（蒽20 mg·kg-1；镉5 mg·kg-1）中，蚯蚓与黑麦草联合应用，35天后测得的土壤中微生物数量及土壤酶活性数据如表1所示。

表1 土壤生物活性指标测定结果Table 1 Measured results of soil biological activity index

由表1数据看出，单种黑麦草土壤中的细菌总数为1.553×108和黑麦草与蚯蚓联用的1.063×108远低于对照土壤中的2.033×108；单种黑麦草的土壤中放线菌数为1.190×108，蚯蚓与黑麦草联用为1.137×108，高于对照组的1.067×108；单种黑麦草的土壤中的真菌数为3.943×105，黑麦草与蚯蚓联用为3.727×105，极显著高于对照的2.267×105（P＜0.01），说明种黑麦草或黑麦草与蚯蚓联用改变了土壤中的微生物种群动态。

种植黑麦草并投放蚯蚓的土壤中蔗糖酶活性为64.395，脲酶活性为0.792，过氧化氢酶活性为0.561，除脲酶活性外，均显著高于对照（P＜0.05）。其中，蔗糖酶活性比对照增加了87.5%，过氧化氢酶活性比对照增加了11.3%，均优于单种黑麦草。表明种植黑麦草并投放蚯蚓增强了土壤酶活性，促进了土壤中养分的转化，从而更有利于植物的生长，反过来促进了土壤中蒽镉污染物的去除。

黑麦草或玉米单独用于修复多环芳烃污染的土壤或重金属污染的土壤已有较多文献报道[13-15]，而将黑麦草或玉米用于多环芳烃和重金属复合污染土壤的修复，研究相对较少[16-17]。本试验证实，在蒽和镉低浓度复合污染的土壤中种植玉米或黑麦草对土壤中的蒽和镉均有显著的去除效果，尤其是黑麦草或玉米与蚯蚓联合应用效果更好。可能原因为：虽然黑麦草或玉米对于多环芳烃和重金属为超耐受，但黑麦草或玉米植株生长速度的快慢、生物量大小、污染物本身对植株的有效性也有很大的影响。通过改善土壤物理化学特性、浇水、施肥等多项农艺措施，均可提高植物生物量，增加对污染物的去除效果。蚯蚓参与土壤有机质的分解和养分循环，其取食活动间接地对土壤起到了机械翻动的作用，并改造了土壤的结构性、通气性和透水性，使土壤的物理化学性质改变，土壤微生物数量增加，土壤酶活力增强，更有利于释放土壤中的营养成分，促进植物生长，反过来又促进了植物对土壤中的蒽和镉的吸收与转化。蚯蚓本身对重金属也有富集作用，综合作用结果，使土壤中的蒽和镉能有效去除。

4 讨论与结论

（1）栽植物对照组10 cm表层土壤中的蒽含量在最初10天有明显下降，但随处理时间延长，下降趋势平缓，几乎恒定不变。种了黑麦草或玉米以后，土壤中蒽的含量随时间变化快速下降，35天以后下降速度趋缓。土壤被蒽污染的程度不同，最后残留在土壤中的绝对量也不同。玉米对低浓度蒽污染土壤的修复效果高于黑麦草，黑麦草对高浓度蒽污染土壤的修复作用强于玉米，说明玉米与黑麦草对蒽的敏感性存在差异，黑麦草根系分泌的酶系更有利于土壤中蒽的降解。

（2）土壤中镉含量随处理时间变化均有所下降。在低污染和高污染土壤中种黑麦草或玉米，与对照比较，土壤中的镉残留量均有所下降。黑麦草对污染土壤中镉的去除效果要优于玉米。土壤表层中镉的减少可能主要是由于植物的吸收、富集转移所致，有待进一步实验证实。

（3）蚯蚓与黑麦草或玉米联合应用，能够显著降低土壤中蒽的残留。黑麦草与蚯蚓联合应用优于玉米与蚯蚓的联合应用。

（4）蚯蚓与黑麦草联合应用，促进了土壤的生物活性，土壤微生物种群数量明显改变，土壤酶活性增强。

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[责任编辑：和谐]

Combined remediation of anthracene and cadmium contaminated soil by plants and earthworm

SHAO Cheng-bin，WANG Chun-yan，CHEN Ying，TENG Fei，LI Ning

（Key Laboratory of Catalysis Science and Technology of Chongqing Education Commission,College of Environment and Resources, Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China）

In the pot experiment,maize or ryegrass was planted in soil which contaminated by different concentrations of anthracene(ANT)and cadmium(Cd),and the earthworms were placed in the soil.The combined remediation effects of earthworm and rhizosphere of plants(maize,ryegrass and so on)on the contaminated soil were investigated through analyzing the variations of ANT and Cd concentrations.The results showed that the ANT and Cd concentrations in the contaminated soil(the initial content:20 mg·kg-1ANT and 5 mg·kg-1Cd)were decreased by 39.4%and 64.8%respectively after 35 days of ryegrass and earthworms combined remediation,and decreased by 25.2%and 64.2%,respectively by maize and earthworms combined remediation.Moreover,the total number of bacteria in the soil was reduced,but the number of actinomycetes and fungi were increased,and the soil invertase activity was significantly increased after ryegrass and earthworms combined remediation.It indicated that the combination of rhizosphere of plants and earthworm can effectively repair the soil contaminated by ANT and Cd and improve the soil biological activity.

polycyclic aromatic hydrocarbons(anthracene)；cadmium;combined pollution;plant rhizosphere remediation

X171

A

2096-2347（2016）02-0031-08

10.19478/j.cnki.2096-2347.2016.02.05

2016-05-20

中央地方共建项目（670100656）。

邵承斌（1956—）男，四川巴中人，研究员，硕士生导师，主要从事环境生物技术研究。E-mail:shaocb@ctbu.edu.cn