β-环糊精强化盐地碱蓬修复石油烃污染土壤

2023-07-03黄朝杨张小娜李欣桐赵洪霞

化工设计通讯 2023年6期

黄朝杨，张小娜，李欣桐，赵洪霞

（大连理工大学环境学院工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁大连 116024）

随着石油工业的快速发展，石油烃化合物（Petroleum hydrocarbons）污染土壤问题日趋严重，由直链烷烃和多环芳烃等化合物组成的石油烃污染物会对生态环境造成诸多不利影响，寻找能够有效修复石油烃污染土壤的技术刻不容缓[1]。植物修复技术由于价格低廉、应用广泛和生态友好等优势，在实际场地应用方面有着光明的前景[2]。但较低的生物有效性限制了植物修复的效率，β–环糊精（β-Cyclodextrin）作为一种生态友好性表面活性剂可与污染物形成包络配合物来增强污染物的溶解度[2]。β–环糊精与植物修复技术相结合的新型修复方法的应用已经成为土壤修复的研究热点[3]。

本研究以β–环糊精作为增溶剂，选取滨海湿地优势物种盐地碱蓬作为修复植物，考察β–环糊精对石油烃污染土壤植物修复效率的强化效果。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及理化性质

研究使用的土壤采自辽宁省大连市大连理工大学校园实验活动基地（38°53′18″N，121°30′65″E），采样深度0～20 cm，土壤基本理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质

1.2 老化土的制备

土壤样品丢弃砂砾等杂质后，自然干燥，经20目均质筛分，储存试验用。在丙酮中添加菲（PHE）、芘（PYR）、荧蒽（FLA）、正十六烷（C16）、正二十烷（C20）、正二十四烷（C24）、正二十八烷（C28）、正三十二烷（C32），配制成浓度为5 g/L 的溶液，而后均匀加入风干土里，混合均匀，在通风橱内放置24 h 以待丙酮挥发完毕，而后在室温下密封避光保存30 d 以上获得老化土，污染物总浓度分别为10，50，200，800 mg/kg。

1.3 盆栽实验

选取长势相近的盐地碱蓬5株移栽到500 g 污染土中培养。4种老化土设计以下处理：不加处理；植物加1 g/kg 环糊精；仅种植植物。4种浓度梯度的污染土根据浓度从低到高分别标记为P1、P2、P3、P4，在14、28、42 d 时取样，每个处理设置三组平行。

1.4 石油烃污染物的提取和净化

土壤：冷冻干燥后用丙酮/二氯甲烷混合溶液（1 ∶1，体积比）超声提取土壤样品30 min，收集上清液并重复三次。总萃取液氮吹浓缩至1 mL，而后通过硅胶柱进行净化。硅胶柱填料自上而下依次为无水硫酸钠和3%失活硅胶，预先用10 mL 正己烷活化，而后分别用15 mL 正己烷和25 mL 正己烷/二氯甲烷（1 ∶1，体积比）混合液洗脱。收集并合并洗脱液，氮吹至接近干燥，之后用正己烷复溶并定容至1 mL，过0.22 μm 滤膜转移至色谱小瓶。在仪器分析之前，添加六甲苯（HMB）作为内标。

植物：与土壤样品前处理方法不同的地方在于用正己烷/二氯甲烷混合溶液（1 ∶1，体积比）进行超声提取，多层硅胶净化柱填料自上而下依次由无水硫酸钠、3%去活氧化铝以及3%去活硅胶组成，其余部分相同。

1.5 检测条件

样品用气相色谱仪（Agilent GC 6890N）与氢火焰离子化检测器（FID 检测器）联用进行分析，采用30 mm×0.25 mm DB1-MS 色谱柱（J&W Science）。载气为高纯氮气，流速为1.0 mL/min。检测升温程序为：60 ℃保温2 min，40 ℃/min 至200 ℃，5 ℃/min至300℃，然后保持20 min。进样器和检测器温度分别设置为280℃和250℃。进样量为1 μL，无分流进样。

1.6 数据处理

通过Origin 软件与SPSS 软件对数据进行分析，数据通过回收率进行了修正，内标指示物以及目标化合物的回收率为73.21%～104.76%。

2 结果与讨论

2.1 β–环糊精对盐地碱蓬生长的影响

如图1所示，随着污染物浓度的增加盐地碱蓬的株高和干重显著降低，植物生长受到的抑制作用逐渐增强。当在污染土壤中添加1 g/kg 的β–环糊精时，盐地碱蓬的生长情况得到显著改善，其高度和干重分别增加了10.9%～19.4%和10.3%～24.8%。环糊精改善植物生长状况主要通过其特有的非极性疏水空腔与石油烃污染物分子之间形成包络物，该包络物内腔疏水而外表面亲水易于进入到土壤孔隙水中，减轻污染物堵塞土壤孔隙和吸附在植物根系表面的作用。

图1 β–环糊精对石油烃污染土壤中盐地碱蓬生长的影响

2.2 盐地碱蓬中石油烃类污染物的浓度水平

经过42 d 修复后，8种石油烃污染物在盐地碱蓬各部位均有检出。石油烃污染物通过三种主要途径进入植物，包括：在蒸腾作用下污染物转移到植物各个部位、从周围大气中吸收污染蒸汽、污染物通过灰尘沉积在植物表面进行扩散。石油烃污染物显示出非常低的蒸气压难以挥发，因此植物根系是植物吸收和富集土壤中有机污染物的主要器官。各石油烃污染物在盐地碱蓬体内的含量水平呈现根>茎>叶的顺序，且环糊精的加入显著提升了植物各部位中石油烃污染物的浓度。β–环糊精处理后盐地碱蓬对800 mg/kg 污染浓度下的石油烃污染物吸收最多，根、茎、叶中石油烃污染物总含量分别为23.2 mg/kg（dw）、7.5 mg/kg（dw）、3.9 mg/kg（dw）。

2.3 β–环糊精对石油烃污染物生物有效性的影响

在以往的研究中，科学家发现环糊精对石油烃污染物有显著的增溶作用，据此推测β–环糊精可以提高土壤中石油烃污染物的生物有效性[3]。从统计学上看，加入β–环糊精后植物根、茎、叶中的直链烷烃浓度增加了17.5%～38.2%，茎部增加了32.1%～51.3%，叶部增加了24.3%～51.3%。这样的增溶效果在多环芳烃中也有发现，盐地碱蓬在β–环糊精存在的情况下，其根、茎、叶中的多环芳烃浓度分别增加了37.0%～58.0%，29.2%～50.0% 和28.6%～42.9%。为评价β–环糊精作用下的石油烃污染物生物有效性，计算了不同浓度下污染物生物富集系数（BCF）。

式中：CRoot和CSoil为植物根部土壤中石油烃污染物浓度（mg/kg）。

结果显示，同等污染浓度下β–环糊精的加入显著提高了直链烷烃和多环芳烃的BCF，分别增加了16.9%～38.2%和26.7%～39.2%。

2.4 β–环糊精对土壤中石油烃污染物消散的影响

实验室修复42 d 后，与未添加β–环糊精的空白对照组相比，所有加入β–环糊精的处理组中石油烃污染物的消散率明显更高。当污染浓度最低时添加β–环糊精获得了最高的消散率，土壤中的直链烷烃的消散率从23.7%提高到了39.7%，增加了67.6%，其中C16消散率最高为50.4%；而土壤中的多环芳烃消散率从28.14%提高到了44.9%，增加了59.6%，其中FLA 消散率最高为46.4%。值得关注的是随着碳原子数的增加直链烷烃的消散率逐步下降，这与植物中直链烷烃的浓度水平有着相同的规律，进一步说明了β–环糊精可以通过提高直链烷烃的生物有效性来增强植物的修复作用。