玉米CT38对石油污染土壤的修复研究

  本文关键词：玉米CT38对石油污染土壤的修复研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石油的生产、运输和使用过程都可能对土壤造成不同程度的污染，据国家土壤质量调查报告，石油烃已经成为土壤中的主要有机污染物，采用经济实用的技术修复石油污染土壤成为学者们不断追求的目标。针对我国人多地少、土壤中低度污染突出的问题，利用分布广、易生长、生物量大的能源和经济作物开展生态修复具有“边生产-边修复”的明显优势。本研究选择课题组前期筛选到的对重金属污染土壤具有“边生产边修复”能力的玉米品种CT38作为修复植物，通过开展盆栽实验，考查玉米对石油污染土壤的适应能力和对石油烃的去除效果，通过与表面活性剂的耦合作用，强化玉米对土壤石油烃的去除效果并研究其作用机制，从玉米对多环芳烃吸收机理的角度出发，探讨利用玉米进行石油污染土壤修复的同时生产安全农产品的可行性，，以期为石油复合污染土壤的“边生产-边修复”提供理论参考和技术支撑。论文取得的主要成果如下： （1）将玉米CT38种植在0、2600、3700、6500、17800和48800mg kg-1的系列浓度石油污染土壤中，通过监测玉米生长状况及生理状态，考查玉米对石油污染土壤的适应能力。结果表明：随着土壤石油浓度增大，玉米叶绿素和蛋白质含量，营养元素钾、钠和钙等离子含量显著降低，但叶片蒸腾速率、水分及其他营养元素含量没有发生显著变化。当土壤石油含量低于6500mg kg-1时，玉米叶面积与空白比较没有显著性差异，说明玉米CT38对中低浓度石油污染土壤具有较好的适应能力，适合在该浓度下开展修复工作。研究结果还发现，土壤石油污染可导致玉米气孔长度和密度变小，说明玉米可通过生理调节减少对污染物的吸收，提高对石油烃污染土壤的耐受能力。通过相关分析，发现气孔长度与钾离子、叶绿素和蛋白质含量呈极显著正相关，相关系数r分别达到0.92、0.94和0.85，说明气孔变化可能导致光合作用与营养物质吸收的下降。 （2）基于以上研究结果，将玉米CT38种植在0、973、2174、3047和6373mg kg-1等中低浓度石油污染土壤中进行60天的盆栽实验，考查种植玉米对土壤石油烃的去除效果。结果发现：当土壤石油浓度为2147mg kg-1时，对玉米CT38具有低剂量刺激效应，玉米株高、茎粗和干重明显高于其他处理，同时叶片抗氧化酶如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等活性低于其他处理，说明较低石油浓度能促进玉米植株的生长，增强其对污染土壤的抗逆能力，使土壤总石油烃去除率高达72.84%，明显高于相应对照组的31.25%。其它处理中种植玉米的土壤石油烃去除率为52.21%-64.88%，而相应对照组仅为25.85%-34.22%。土壤石油烃的分析表明，饱和烃含量从修复前的60%降低到修复后的36%，而难降解的芳烃、沥青质及极性物质含量比例显著增加。深入比较发现，碳链≤22的正构烷烃更容易降解，且其中的奇数碳较偶数碳易于降解。利用可指示正构烷烃来源的碳优势指数（CPI）对玉米叶片的烷烃进行分析，发现CPI值随土壤石油浓度的增大而减小，表明玉米叶片吸收了部分石油烷烃成分。另外，萘、苊、芴、菲、蒽、荧蒽和芘等多环芳烃的测定结果表明玉米地上部积累的菲含量较高，达到2.30-4.92μg g-1，其他多环芳烃含量均小于1μg g-1，且无污染土壤玉米地上部2-3环多环芳烃含量高于污染土壤中玉米的含量，说明这部分多环芳烃主要通过叶片从空气进入玉米并受到气孔变化的影响，导致生长于污染土壤中的玉米吸收积累减少。综上所述，玉米CT38在中低浓度石油污染土壤中具有较强的适应能力，对土壤中的石油烃去除效果较好，并可通过叶片气孔的调节，减少对多环芳烃的吸收，利用其进行石油污染土壤实地修复具有明显优势。 （3）将化学合成、微生物产生和植物提取等3种不同来源的表面活性剂以10000mg L-1的溶液添加到土壤中，以强化玉米对土壤石油烃的修复效果，结果表明：天然表面活性剂大豆卵磷脂和生物表面活性剂鼠李糖脂在土壤中的添加可显著提高土壤微生物数量，促进土壤石油烃的去除，使得土壤石油烃去除率分别比无表面活性剂添加处理提高19%和12%，而化学表面活性剂吐温80的添加对土壤石油烃的去除没有明显促进作用。另外，表面活性剂在土壤中的添加对玉米的生长没有造成明显的影响，对多环芳烃在玉米根、茎和叶的积累没有表现出明显的促进作用。因此，利用玉米CT38耦合生物来源表面活性剂鼠李糖脂或大豆卵磷脂均可提高土壤石油污染的修复效果，该技术方便实用，环境友好，可在实地污染土壤的场地修复中广泛应用。 （4）将玉米CT38种植在含菲（4.1mg kg-1）和芘（37mg kg-1）污染土壤中，结合表面活性剂的使用，考查菲、芘在土壤中的去除以及在玉米中的积累分配情况。实验结果表明，表面活性剂鼠李糖脂和曲拉通100的添加促进土壤菲和芘的去除，但对玉米根和叶积累的多环芳烃没有产生明显影响。菲和芘在玉米各器官（根、茎、叶、花和籽实）的积累没有受到其脂质含量的显著影响，受特殊结构玉米苞叶的保护作用，玉米籽粒菲和芘的含量分别为21和0.9ng g-1，明显低于其他器官，经过毒性当量换算比较分析，认为籽粒中的多环芳烃含量符合我国以及欧洲对安全食品多环芳烃含量的限量要求。因此，利用玉米CT38进行多环芳烃污染土壤修复可获得安全的农产品。 （5）通过水培实验考查玉米对菲和芘的吸收途径，结果发现生长于污染水溶液的玉米叶片吐水中可检测到菲和芘，而在无污染水溶液生长的玉米叶片吐水中没有检测出菲和芘，说明菲和芘可通过蒸腾流从根系迁移到地上部，但污染物存在时玉米的蒸腾速率明显降低。玉米根系和叶片污染物含量分析结果表明，菲主要通过玉米叶片吸收，而芘则主要是通过玉米根系吸收。 （6）在密闭装置中进行玉米水培实验，探讨玉米根系、叶片对菲和芘的吸收、迁移情况。结果表明：菲和芘被根系吸收后，可向上迁移，迁移系数分别为0.43和0.15；菲和芘被叶片吸收后，可向下迁移，迁移系数为0.39和0.62，说明芘较菲趋向于在根系集中。在无污染水溶液中玉米活体叶片积累的菲含量为1.4μg g-1，而离体叶片积累的菲含量仅为0.41μg g-1，说明气孔开放对菲叶片吸收的贡献率达到71%，气孔是玉米叶片吸收菲的主要途径。 本研究通过开展玉米CT38对石油污染土壤的修复研究，探讨玉米吸收多环芳烃的机理，认为将玉米种植结合生物表面活性剂的添加应用于实地污染土壤修复，可以获得安全的农产品，实现“边生产-边修复”的目的。

  本文关键词：玉米CT38对石油污染土壤的修复研究，由笔耕文化传播整理发布。