生物刺激法修复DDTs污染农田土壤研究

王辉, 刘春跃, 荣璐阁, 孙丽娜*, 甘宇, 王英刚, 吴昊, 王晓旭



生物刺激法修复DDTs污染农田土壤研究

王辉, 刘春跃, 荣璐阁, 孙丽娜*, 甘宇, 王英刚, 吴昊, 王晓旭

沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 沈阳 110044

DDTs污染是我国农田土壤普遍面临的一个问题, 污染状况虽有所转, 但对人体健康仍存在风险。为了更好的修复DDTs污染土壤, 探讨了生物刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的可能性, 研究了不同条件对土著微生物降解污染农田土壤中DDTs的影响。结果表明: 生物刺激法可以促进土壤中DDTs降解菌数的增殖, 提高修复DDTs污染的农田土壤的效率。修复五个月后与CK相比, 添加葡萄糖、血粉和乳化油后DDTs的降解效率分别提高了20.29 %、28.59 %和17.65 %。与葡萄糖和乳化油相比, 血粉可以长效的刺激土著微生物降解土壤中的DDTs。与其他方法相比, 定期翻土可以显著提高DDTs的降解效率, 五个月的降解效率由32.18 %提高到43.41 %。因此添加血粉辅以定期翻土可以用于修复DDTs污染农田土壤, 且具有较好的应用前景。

滴滴涕; 土著微生物; 血粉; 生物刺激; 葡萄糖

1 前言

滴滴涕(DDTs)是一种含氯离子的广谱杀虫剂, 分子式为Cl4H9Cl5, 主要异构体及同系物为p,p′- DDT、o,p′-DDT、p,p′-DDE、p,p′-DDD, 从20世纪50年代开始广泛使用于防治农业病虫害和减轻疟疾的传播[1–3]。在1983年以前, DDTs农药在我国被广泛使用, 导致了930万公顷受到不同程度的污染[4]。虽然1983年后DDTs被禁止作为杀虫剂大规模生存和使用, 但是由于其易于吸附到土壤颗粒中, 且化学性质稳定、生物利用率较低, 因此导致其在环境中仍长期存在[2]。沈阳市城郊作为沈阳市农产品的重要产地, 也曾大量使用过DDTs农药, 虽然已长时间的禁用, 但沈阳郊区表层土壤中DDTs的检出率仍然很高, 其中沈阳细河沿岸表层土壤中DDTs平均浓度达到37.08 μg·kg-1 [5–6]。DDTs具有较强的脂溶性, 易于通过食物链富集于动物和人体的脂肪中[7], 对动物和人体存在一定的风险。

同时农田土壤的有机污染具有范围广、污染物浓度相对较低的特点, 化学修复法和微生物修复法会投加化学药剂和外源微生物, 修复成本较高, 且可能造成二次污染, 因而不利于污染农田土壤的修复。而生物刺激法通过投加营养物质刺激土著微生物降解污染物, 工艺简单, 对环境的影响较小, 因此可以使用生物刺激法修复DDTs污染农田土壤。

本研究针对农田土壤DDTs污染浓度低、面积大的特点, 选择生物刺激法原位刺激土著微生物修复DDTs污染农田土壤, 开展添加不同营养物质的降解效果研究, 并进行比较分析, 选取适宜的营养物质, 并在此基础上开展了不同修复条件对DDTs污染农田土壤修复效果的影响研究, 为安全快速的修复有机污染的农田土壤提供了科学依据。

2 材料和方法

2.1 修复现场

本研究的修复实验选取在沈阳市沈北新区前进农场的D3大棚中进行(42°05′02.62″N, 123°31′42.79″ E)。大棚中土壤耕作层(0—20 cm)经平整混匀后测定质地为粉砂质粘土, 其土壤粒度在0.01—2、2—50、50—1000 μm范围内分别占 26.11 %、72.82 %、1.07 %。土壤pH值为6.87—7.17, 有机碳含量为3.15 %, 阳离子交换量为13.09 cmol·kg–1, 污染物DDTs含量为47.94 μg·kg–1, 总氮含量为3.23 mg·kg–1, 总磷含量为0.29 mg·kg–1, 土壤C:N:P为100:10.2:0.92。

2.2 实验设计

大棚经平整混匀后, 划分为1 m×1 m的地块备用, 地块间隔30 cm的距离, 以避免不同处理间的相互干扰。共设置两批实验: (1)不同营养物对于原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的影响研究: 选取葡萄糖、血粉和乳化油为营养物, 开展原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的实验。其中葡萄糖、血粉和乳化油的添加量为5 g·kg–1土, 葡萄糖购置于天津博迪化工股份有限公司, 血粉购置于贵州金万和农业科技有限公司, 乳化油为实验室以大豆油为原料、吐温–80 为乳化剂自行制备[8]; (2)不同修复条件对于原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的影响研究: 在实验(1)选取的营养物的基础上, 研究调整土壤C:N:P比、定期翻土、添加Fe2+离子和多次添加营养物对于原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的影响。其中调整土壤C:N:P比实验中, 以磷酸钠作为P源, 硫酸铵作为N源调整土壤C:N:P为100:15:1[9–10]; 定期翻土试验中, 每周对实验土块的耕作层进行翻土; 添加Fe2+离子实验中, Fe2+离子的添加量为0.02 g·kg–1; 多次添加碳源试验中, 设置为修复前、修复一个月、修复三个月三次添加营养物, 每次添加量均为5 g·kg–1土。

为确保实验数据的准确性, 每个处理设置三个平行。分别于修复前、修复一个月、修复三个月、修复五个月, 按照梅花采样法对每个地块的耕作层土壤样品进行采集。

2.3 土壤中DDTs的测定

去除植物残渣和石块等杂物后, 土壤样品避光风干并进行研磨。过60目筛后, 准确称取5.00 g土壤样品置于萃取池中, 使用1:1(v:v)的正己烷和丙酮的混合液为萃取液[11], 利用加速溶剂萃取仪(ASE300)进行萃取, 并参照《土壤中六六六和滴滴涕测定的气相色谱法(GB/T 14550—2003)》进行净化[12], 净化后用色谱纯正己烷定容到1 mL的气相进样瓶中使用气相色谱CP-3800(VARIAN INC)进行测定。色谱柱为CP-sill 8CB型石英毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.25 um), 色谱柱升温程序为: 柱温120 ℃(1 min)→ 230 ℃(25 ℃·min–1, 0 min)→ 255 ℃(3 ℃·min–1, 0 min)→ 280 ℃(20 ℃·min–1, 5 min); 进样口温度250 ℃; 检测器温度300 ℃; 载气为高纯氮气, 流速0.6 ml·min–1; 尾吹30 mL/min; 进样量1 uL(不分流)。测定过程中使用外标法定量, DDTs标样(p,p′-DDT、o,p′-DDT、p,p′-DDE、p,p′-DDD)购置于百灵威科技有限公司。样品在测试过程中进行空白样品和基质加标回收率测定, 方法回收率为89.2%—107.1%。所有实验均设置了三个重复, 数据均为三个平行样的均值。在测试过程中随机抽取样品进行重复测试, 当重复测试误差大于10%时, 需对设备进行调试和校正。

3 结果和讨论

3.1 不同营养物对于原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的影响

经过五个月的修复, 添加葡萄糖(T5)、添加血粉(X5)和添加乳化油(R5)原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的效率见图1。从图1中可以看出, 与CK相比, 添加营养物后土壤中DDTs的浓度显著降低, DDTs污染土壤修复效率显著提高, 修复五个月后, T5、X5和R5处理的DDTs污染土壤修复效率分别提高了20.2 %、28.5 %和17.65%。原位生物刺激法已在一些有机污染土壤修复中被应, 刘虹等发现以硫酸铵和磷酸二氢钾为激活剂刺激土著微生物对土壤中石油烃进行修复, 30 d 的修复率达 86.27%[10]; 樊鹏军等进行了石油污染土壤原位生物修复的强化实验研究, 发现单纯添加营养物质不接种高效微生物可使降解率比在自然条件下提高约 25%[13]; 滕应等在进行多氯联苯复合污染土壤的土著微生物修复强化措施研究中发现加入淀粉、葡萄糖和琥珀酸钠均在一定程度上增加了细菌和真菌数量, 进而促进土壤中PCBs的土著微生物降解[14]。使用最大或然数法对添加营养物后土壤中DDTs降解菌数进行测定[15–16], 结果见图2。从图2中可以看出, 与CK相比较, 添加营养物后土壤中DDTs降解菌数显著增加。在各处理中, 修复一个月后降解菌数达到最大值, 在T5、X5和R5中降解菌数分别达到4.4、4.2和4.3 log10CFUs·g–1干土, 而CK中降解均数仅为3.3 log10CFUs·g–1干土。因此, 通过投加外源性营养物可以促进DDTs降解菌数的增殖、刺激土著微生物修复DDTs污染土壤是切实可行的。但随着修复时间的增加, 降解菌数不断降低, 修复五个月后T5和R5组中降解菌数为3.1和3.2 log10CFUs·g–1干土, 而X5组较高为3.4 log10CFUs·g–1干土。这主要是由于随着修复时间的增加, 一部分营养物不断被消耗, 一部分营养物随着土壤径流不断流失, 因此降解菌数逐渐降低。

添加营养物后DDTs污染土壤修复效率显著提高, 但不同营养物在不同修复时间对于刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的效率差异显著。修复一个月后, T5组修复效率最高, R5组次之, 而X5组最差。这主要是由于葡萄糖和乳化油具有良好的水溶性, 可以通过土壤溶液较好的分散到土壤颗粒中, 增加了与土壤中微生物的接触机会, 能够更好的促进土壤中微生物的增殖, 进而更好地促进了DDTs的降解, 使得T5和R5组中修复效率高于X5组。修复三个月和五个月后, X5组中DDTs污染土壤修复效率显著高于T5和R5组, 这要与葡萄糖和乳化油具有良好的水溶性, 会由于田间灌溉随着土壤溶液较快的进行迁移, 进而使土壤中碳源浓度降低, 而在X5组中, 血粉是一种颗粒物质, 不溶于水, 很难随着土壤溶液进行迁移, 能够较稳定的吸附到土壤颗粒中, 较长期的刺激土著微生物降解土壤中的DDTs。因此, 与葡萄糖和乳化油相比, 血粉能够较长期的刺激土著微生物修复DDTs污染土壤, 是一种能够长效的刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的营养物。

图1 不同营养物对土著微生物修复DDTs污染土壤效率的影响

图2 不同碳源对DDTs降解微生物数量的影响

为了快速有效的刺激刺激土著微生物修复DDTs污染土壤, 因此选取葡萄糖和血粉进行营养物的复合实验, 复合实验中DDTs污染土壤的修复效率见图3。从图3中可以看出, 修复一个月后, 不同处理中修复效率随着碳源中葡萄糖含量的增加而增加, 其中X5、T1X4、T2X3和T2.5X2.5处理中DDTs污染土壤的修复效率分别为20.10%、21.24%、22.52%和23.14%。而在修复三个月和五个月后, 由于葡萄糖的大量流失, 各处理中修复效率随着投加碳源中血粉含量的增加而增加。修复五个月后, X5、T1X4、T2X3和T2.5X2.5处理中DDTs污染土壤的修复效率分别为32.18%、29.19%、28.76%和26.69%, X5组中DDT污染土壤的修复效率最高, 因此可以选择单独添加血粉作为原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的营养物。

3.2 不同修复条件对原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的影响

为研究不同修复条件对于原位刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的影响, 选取血粉作为刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的营养物, 调整土壤C:N:P比(X5NP)、定期翻土(X5F)、添加Fe2+离子(X5Fe)和多次添加血粉(3X5)为不同辅助条件, 对DDTs污染土壤修复效率的进行分析, 结果见图4。修复一个月后X5、X5NP、X5F、X5Fe和3X5组中DDTs污染土壤的修复效率分别为20.10%、19.58%、31.64%、23.14%和24.47%, 而修复五个月后, DDTs污染土壤的修复效率分别变为32.18%、30.91%、43.41%、27.92%和39.37%。因此随着修复时间的增加, 各处理中DDTs污染土壤的修复效率不断提高, 但不同处理中修复效率的增加情况差异较大。与X5组相比, X5F组中降解效率提高程度最显著, 修复效率提高了34.91%, 3X5组次之, 且在修复一个月、三个月、五个月后X5F和3X5组的修复效率都大于X5组。而X5NP和X5Fe组中修复效率的增长速度不断波动, 修复五个月后其修复效率反而低于X5的修复效率。

图3 复合营养物对于土著微生物修复DDTs污染土壤效率的影响

图4 不同处理条件下土壤中DDTs污染土壤的修复效率的影响

为了科学全面的比较不同条件对于添加血粉刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的影响, 对X5、X5NP、X5F、X5Fe、3X5组中修复后土壤中DDTs浓度进行成对的T检验, 用以比较不同处理对于修复结果的影响, 检验结果见表1。当成对的T检验中, 当Sig值大于0.05时, 说明被比较的两个样品间无显著差异; 当Sig值小于0.05时, 说明被比较的两个样品间存在显著差异。

表1 不同条件下血粉原位刺激修复后土壤中DDTs浓度的T检验结果

从表1中可以看出在成对的T检验中, X5-X5F之间的Sig值(0.0074)小于0.05, 即经过定期翻土后, 土壤残留的DDTs浓度较未定期翻土中DDTs发生了显著变化, 同时由于X5F组中DDTs降解效率高于X5组中的降解效率, 因此定期翻土对于血粉刺激土著微生物的降解效率提到了促进作用。这主要是由于定期翻土可以提高土壤中氧含量, 起到了土壤通气的作用, 有利于土壤中好氧微生物的增殖, 而微生物的大量增殖促进了土壤中DDTs的降解, 同时氧气可以作为污染物氧化分解的最终电子受体, 因此定期翻土也为污染物的降解提供了更多的电子受体[17]。在X5-X5Fe之间的Sig值(0.1057)大于0.05, 即添加Fe2+离子后, 土壤中残留的DDTs浓度未发生显著变化, 同时对照不同处理条件下血粉刺激土著微生物修复DDTs结果(图2)可以看出添加Fe2+离子后, 降解效率反而发生了一定的下降。同样的现象在张春玲研究降解六六六低温菌的筛选中也有发现, 当 Fe2+含量大于0.02 g·L–1时微生物对六六六的降解率会降低[18]。在X5-X5NP之间的Sig值(0.7028)大于0.05, 即调整土壤C:N:P比并未对血粉刺激土著微生物降解土壤中DDTs产生显著影响。N和P是微生物生存的必须营养物质, 是限制微生物活性的重要因素, 通常情况下补充氮磷可以促进土壤微生物的生长繁殖[19–20],但血粉中赖氨酸和亮氨酸以及缬氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、色氨酸的含量都很丰富, 在额外的添加N营养物, 会使土壤中N营养物过高。已有研究发现过量的N营养物会抑制微生物对石油污染物的降解, 但P营养物影响较小[21]。因此再额外的添加NP营养物未对血粉刺激土著微生物修复土壤中DDTs的降解起到显著的促进作用, 反而抑制了其的降解。在3X5组中DDTs的平均修复效率高于X5组中DDTs的平均修复效率, 这说明与单次添加血粉相比, 多次添加血粉对于刺激土著微生物降解土壤中DDTs的效率较高, 但在对X5- X5NP进行成对的T检验的结果中, Sig值(0.1843)大于0.05, 即多次添加血粉在一定程度上较单次添加血粉更能促进土壤中DDTs的降解, 其提高程度仅次于定期翻土, 但提高程度在统计学上不显著。多次添加血粉可以提高土壤中营养物质浓度, 同时添加血粉的混匀过程中需要翻土, 这也在一定程度上增加了土壤中的氧含量, 促进了土壤中DDTs的修复。同时由于农田土壤中DDTs污染浓度不高, 单次添加的血粉量已经能够为土著微生物提供较充足的营养物质, 多次添加血粉可以提高DDTs的修复效率, 但提高程度不显著。

4 结论

本文开展了DDTs污染土壤的原位土著微生物修复及强化措施研究, 结果表明: 添加外源性营养物刺激土著微生物修复DDTs污染土壤是切实可行的, 由于其简单宜行且环境友好, 具有良好的应用前景。添加葡萄糖、血粉和乳化油修复五个月后, DDTs的降解效率与CK相比较分别提高了20.29%、28.59%和17.65%。同时与葡萄糖和乳化油相比, 修复五个月后添加血粉组DDTs的降解效率最高(32.8 %), 而且血粉稳定性较好, 可以作为一种长效的外加碳源刺激土著微生物降解污染土壤中的DDTs。与调整C:N:P比、添加Fe2+和多次添加血粉相比, 定期翻土可以显著提高血粉刺激土著微生物修复DDTs污染土壤的效率, 修复五个月后平均修复效率由32.18%提高到43.41%。综上所述, 添加血粉同时辅以定期翻土可以作为DDTs污染农田土壤的修复方案, 在实际修复工程中进行应用。

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The study on biostimulation of indigenous microbial remediation in DDTs polluted farm soils

WANG Hui, LIU Chunyue, RONG Luoge, SUN Lina*, GAN Yu, WANG Yinggang, WU Hao, WANG Xiaoxu

Key Laboratory of Regional Environment and Eco-remediation of Ministry of Education, Shenyang University, Shenyang 110044, China

It was a common problem that the farmland soil was contaminated by DDTs in China. The pollution situation has been improved, but there is still potential risk to human health. The potential application of biological stimulation on indigenous microbial was explored in the bioremediation of DDTs contaminated farmland soil, and the effect on remediation rate of DDTs was investigated in different remediation conditions. The results showed that biostimulation could effectively increase the number of DDT-degrading bacteria in soil, and it was an effective remediation method to degrade DDTs in the farmland soil. The remediation efficiency increased 20.29%, 28.59% and17.65% in glucose, blood meal and emulsified oil compared to CK, respectively. The blood meal was a long term effective method on stimulating indigenous microorganisms to degrade DDTs compared with glucose and emulsified oil. Plowing the land once a week could effectively increase the remediation efficiency of DDTs by biostimulating using blood meal, and degradation efficiency increased from 32.18 % to 43.41 % in five months. Therefore, biostimulation on indigenous microbial using blood meal supplemented by plowing the soil once a week couldbe used for remediation of DDTs contaminated farmland soil, and it has a good application prospect.

DDTs; indigenous microorganism; blood meal; biostimulation; glucose

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.028

X592

A

1008-8873(2017)06-207-06

2017-06-22;

2017-08-24

国家重点基础研究发展计划项目(2014CB441106); 辽宁省自然科学基金指导计划(20170540656); 沈阳市科学事业费竞争性选择项目(城市生态环境风险管理及其修复技术研究)

王辉(1981—) , 男, 博士, 副教授, 主要从事污染控制与修复研究工作, E-mail: huiwang425@126.com

孙丽娜, 女, 博士,教授, 主要从事土壤修复研究, E-mail: ericwh@126.com