多环芳烃污染土壤的生态修复研究

发布时间：2020-04-10 08:24

【摘要】：多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)主要由石油、煤炭、木材及其他有机物不完全燃烧或高温裂解过程中所产生的、由两个或两个以上苯环结构化合而成的持久性有机污染物,多来源于石油燃烧、沥青生产、木材防腐、煤炭加工等生产活动。因结构稳定、水溶性差、土壤附着能力强,且具有较强的“三致”效应,严重威胁着土壤的生态安全和人类健康,污染修复日益迫切。 PAHs污染土壤的修复方法中,植物修复操作简便,投资少、费用低、环境友好,发展潜力巨大。植物不仅能从环境中直接吸收、积累PAHs等有机污染物,还可通过根系代谢活动改变根际微生物区系结构或数量、扩大微生物活动范围、调节土壤理化性质及其腐质化程度等途径促进PAHs降解,其修复效果与修复植物的种类、污染物的性质及所处的环境条件密切相关。但该技术起步较晚,植物修复的内在机制迄今还不甚清楚,各种生物、非生物因子在修复过程中的作用以及影响修复效果的环境因素仍未明确。本文在评述植物修复PAHs等有机物污染土壤研究现状的基础上,围绕修复植物筛选、修复机理、影响修复效果的环境因素、强化措施等植物修复过程中的几个热点问题开展一系列研究,探讨了利用植物一土壤动物(蚯蚓)-土著微生物间的联合作用实现PAHs污染土壤生态修复的可行性。主要取得以下结论: 1.植物修复PAHs污染土壤的种间差异采用盆栽试验法,研究了黑麦草(Lolium multiforum)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、玉米(Zeamay)、沿阶草(Ophiopogon japnicus)、蝴蝶花(Iris japonica Thunb)、金发草(Pogonatherumpaniceum)、高羊茅(Festuca arundinacea)、苏丹草(Sorghum vulgare)、白三叶(Trifolium repens)、油菜(Brassica campestris)、莴苣(Lactuca sativa)、甘蓝(Brassica oleracea)等12种西南地区乡土植物对土壤中菲、芘污染的修复作用。结果显示:试验浓度(20～322 mg·kg~(-1))范围内,种植植物能不同程度地促进土壤中菲、芘的去除,但修复效果的种间差异却很大:55d后,沿阶草、苏丹草、金发草、高羊茅、黑麦草等植物对土壤中PAHs污染的去除效果较好,T_2污染水平(菲:40.88 mg·kg~(-1);芘:39.58 mg·kg~(-1))下,土壤中菲、芘去除率分别在75.83%、62.91%以上:T_4污染水平(菲:161.44mg·kg~(-1);芘:160.64 mg·kg~(-1))下,菲、芘去除率分别在60.03%、53.04%以上。油菜、甘蓝、莴苣、蝴蝶花对土壤中PAHs去除效果较差:T_2污染水平下,土壤中菲、芘去除率仅在31.94%～46.45%、28.17%～40.79%之间;T_4污染水平下,菲、芘去除率仅在24.18%～34.45%、22.29%～30.16%之间。修复过程中,植物对土壤中PAHs污染物有一定的吸收、富集作用:随着土壤中PAHs添加浓度的升高,植物组织中PAils含量逐渐增大,但对PAHs污染物的富集系数却逐渐减小;相同污染水平下,根系PAHs含量、富集系数远大于茎叶。PAHs在根系富集系数与根部脂肪含量显著正相关(r＞0.912),但与根部含水量关系不显著(r＜0.557);相同条件下,植物根部的芘含量、对芘的富集系数均大于菲。 2.土壤-植物(金发草)系统对PAHs污染土壤的修复作用以岩生植物金发草为试验材料,研究了土壤-植物系统对土壤中芘、菲污染的去除效果,定量估计了生物与非生物因子对土壤污染修复的贡献。结果显示,试验浓度范围(20～322mg·kg~(-1))内,种植金发草能有效修复土壤中芘、菲污染。70d后,菲、芘去除率分别为50.97%～86.77%、46.45%～76.7%;比对照1(加0.1%NaN_3)高63.56%、58.6%,比对照2(无NaN_3)高46.09%、42.92%。金发草能吸收、富集部分PAHs,植物组织中PAHs含量随添加浓度的升高而增大,且根部大于茎叶部、芘大于菲,但生物浓缩系数却系逐渐减小。修复过程中,非生物因子、植物代谢、富集、微生物降解对菲的去除率分别为5.10%、0.32%、4.22%、17.47%,对芘的去除率分别为2.56%、4.27%、2.01%、15.68%;植物-微生物交互作用对菲、芘的去除率分别为41.56%、36.64%。说明植物-微生物交互作用是金发草修复菲、芘污染的主要途径。 3.种植模式(单种、混种)对PAHs污染土壤修复作用的影响以油菜、紫花苜蓿、白三叶三种植物为试验材料,对比研究了植物在单种、混种模式下对土壤中PAHs的去除效果、修复行为。结果显示,试验浓度范围(20～322 mg·kg~(-1))内,种植植物能促进芘、菲的去除,种植紫花苜蓿、白三叶比种植油菜的修复效果更为明显:70 d后,种植紫花苜蓿土样中菲、芘浓度分别为6.03～141.20 mg·kg~(-1)和7.53～191.15 mg·kg~(-1),白三叶所在土样中分别为6.66～150.37 mg·kg~(-1)和6.96～183.58 mg·kg~(-1)。与无植物对照(菲、芘去除率仅为22.57%、18.24%)相比,种植紫花苜蓿、白三叶后,平均有41.46%、38.75%的菲和33.69%、36.29%的芘被移除。在油菜-紫花苜蓿(P_4)、油菜-白三叶(P_5)混种组合中,分别有74.87%、72.01%的菲和62.81%、68.44%的芘被移除,混种时被植物体所积累的菲、芘量也远低于相同污染水平下单物种栽培时同种植物的积累量。各种修复因子中,植物-微生物交互作用的强化效应最大,植物自身的吸收、积累在PAHs去除过程中的贡献率则相对较小。多物种联合修复能强化PAHs的修复效果,在一定程度上减少了PAHs等污染物在植物组织中的积累。 4.PAHs去除过程中各种修复因子的作用、土壤酶活性的动态变化采用盆栽试验法,对比研究了各种修复因子在植物修复PAHs污染土壤过程中的贡献率、土壤酶(脲酶、多酚氧化酶、脱氢酶)活性的动态变化特征。结果显示,在72d的修复过程中,不同时期内各种生物、非生物因子对土壤中芘、菲去除的贡献率也不一样,修复早期(0～36d),微生物降解对PAHs去除的贡献率较大;修复后期(36～72d),植物-微生物交互作用的贡献率较大。修复前期(0～24d),土壤酶活性受到不同程度的抑制,随着修复过程的延续,土壤酶活性逐渐恢复或被激活。整个修复过程中,植物-微生物交互作用对土壤中芘、菲去除的贡献率与脱氢酶、脲酶、多酚氧化酶的酶活性显著正相关,相关系数均大于0.96。说明在土壤-植物系统中,植物-微生物间交互作用主要是通过改变土壤酶活性来促进PAHs的去除。 5.蚯蚓对PAHs污染土壤的忍耐性及其生态影响采用盆栽试验法,研究了蚯蚓(Pheretima sp.)对PAHs污染土壤的相互作用。结果显示:供试蚯蚓能存活于中度菲、芘污染(20～320 mg·kg~(-1))的土壤中,重污染条件(510 mg·kg~(-1))下,蚯蚓的生长受到明显抑制;中度污染时,蚯蚓活动能明显降低土壤的pH值.降低幅度分别为0.16～0.21、0.13～0.19个单位,但重污染时降幅仅为0.07、0.05;添加蚯蚓后,土壤中速效N、P、K含量不同程度的被提高,且速效N、P增加幅度大于速效K。试验期间,蚯蚓活动对土壤中菲、芘去除产生了一定的促进作用,其平均去除率(15.03%、12.30%)均超过无蚯蚓对照土样(13.20%、10.58%):同时,蚯蚓自身也能富集一定量的菲、芘,蚓体内PAHs含量随PAHs添加量的增加而增大,富集系数则随PAHs添加量的增加而减小。说明供试蚯蚓能在设定浓度的PAHs污染土壤中正常生存,其活动对土壤性质有一定的改善作用。 6.蚯蚓活动对植物修复土壤菲芘污染的强化作用对比研究了添加、没添加蚯蚓条件下土壤-植物(苏丹草)系统对土壤中菲、芘的去除效果与修复行为。结果显示,70d的试验期间,种植苏丹草的污染土壤(初始添加浓度为20～322mg·kg~(-1))中,菲、芘去除率分别为88.43%～60.42%,80.18%～53.99%,对照土样(无植物)中,菲、芘去除率仅为30.08%～14.73%,24.23%～12.28%;添加蚯蚓后,种植苏丹草土样中菲、芘去除率高达93.42%～66.40%,86.39%～60.96%,分别比没添加蚯蚓土壤-植物(苏丹草)系统高出5.63%～9.93%,7.73%～12.91%。各种修复因子中,植物-微生物交互作用的强化效应最大;同等污染水平下,蚯蚓活动对芘的强化去除效应总是大于菲。可见,添加蚯蚓对土壤-植物系统修复芘、菲污染具有明显的强化效应,尤其有助于高分子污染物的修复。 7.PAHs污染土壤的植物-土壤动物-土著微生物复合修复技术研究采用正交试验法,研究了土壤水分、腐殖质含量以及蚯蚓活动对土壤-植物(苏丹草)系统修复土壤PAHs污染的影响。结果显示,植物根系的生长状况与土壤-植物系统对PAHs污染土壤的修复效果密切相关,苏丹草根重与PAHs去除率显著正相关;环境条件(含水量、腐殖质、蚯蚓活动)除直接对土壤理化性质产生影响外,还可通过改变植物根系的生长状况影响土壤中PAHs的去除程度;被监测环境因素中,含水量(WHC,water holding capacity)对PAHs去除的影响程度最大,蚯蚓添加量次之,腐殖质含量相对较小。所有正交组合中,S_(10)(即每盆添加6条蚯蚓、腐殖质含量为13.44 g·kg~(-1)、45%WHC)、S_9(即6条蚯蚓添、5.94 g·kg~(-1)腐殖质、30%WHC)、S~(14)(即9条蚯蚓、3.44 g·kg~(-1)腐殖质、45%WHC)的修复效果最好:T_1(菲:40.88 mg·kg~(-1);芘:39.58 mg·kg~(-1))污染水平下,菲、芘去除率分别为92.65%、87.54%、83.73%和82.79%、77.86%、79.47%;T_2(菲:161.44 mg·kg~(-1);芘:160.64 mg·kg~(-1))污染水平下,菲、芘去除率分别为77.59%、72.84%、72.13%和71.13%、66.33%、67.67%。菲、芘去除率明显高于相同污染水平的对照组S_1(即无蚯蚓、3.44 g·kg~(-1)腐殖质、30%WHC)。说明在适宜环境条件下,利用植物-土壤动物(蚯蚓)-土著微生物间的联合作用实现PAHs污染土壤的生态修复是可行的。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X53

【参考文献】