發(fā)布時間：2020-04-10 08:24

【摘要】：多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)主要由石油、煤炭、木材及其他有機物不完全燃燒或高溫裂解過程中所產生的、由兩個或兩個以上苯環(huán)結構化合而成的持久性有機污染物,多來源于石油燃燒、瀝青生產、木材防腐、煤炭加工等生產活動。因結構穩(wěn)定、水溶性差、土壤附著能力強,且具有較強的“三致”效應,嚴重威脅著土壤的生態(tài)安全和人類健康,污染修復日益迫切。 PAHs污染土壤的修復方法中,植物修復操作簡便,投資少、費用低、環(huán)境友好,發(fā)展?jié)摿薮�。植物不僅能從環(huán)境中直接吸收、積累PAHs等有機污染物,還可通過根系代謝活動改變根際微生物區(qū)系結構或數量、擴大微生物活動范圍、調節(jié)土壤理化性質及其腐質化程度等途徑促進PAHs降解,其修復效果與修復植物的種類、污染物的性質及所處的環(huán)境條件密切相關。但該技術起步較晚,植物修復的內在機制迄今還不甚清楚,各種生物、非生物因子在修復過程中的作用以及影響修復效果的環(huán)境因素仍未明確。本文在評述植物修復PAHs等有機物污染土壤研究現狀的基礎上,圍繞修復植物篩選、修復機理、影響修復效果的環(huán)境因素、強化措施等植物修復過程中的幾個熱點問題開展一系列研究,探討了利用植物一土壤動物(蚯蚓)-土著微生物間的聯合作用實現PAHs污染土壤生態(tài)修復的可行性。主要取得以下結論: 1.植物修復PAHs污染土壤的種間差異 采用盆栽試驗法,研究了黑麥草(Lolium multiforum)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、玉米(Zeamay)、沿階草(Ophiopogon japnicus)、蝴蝶花(Iris japonica Thunb)、金發(fā)草(Pogonatherumpaniceum)、高羊茅(Festuca arundinacea)、蘇丹草(Sorghum vulgare)、白三葉(Trifolium repens)、油菜(Brassica campestris)、萵苣(Lactuca sativa)、甘藍(Brassica oleracea)等12種西南地區(qū)鄉(xiāng)土植物對土壤中菲、芘污染的修復作用。結果顯示:試驗濃度(20～322 mg·kg~(-1))范圍內,種植植物能不同程度地促進土壤中菲、芘的去除,但修復效果的種間差異卻很大:55d后,沿階草、蘇丹草、金發(fā)草、高羊茅、黑麥草等植物對土壤中PAHs污染的去除效果較好,T_2污染水平(菲:40.88 mg·kg~(-1);芘:39.58 mg·kg~(-1))下,土壤中菲、芘去除率分別在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、芘去除率分別在60.03%、53.04%以上。油菜、甘藍、萵苣、蝴蝶花對土壤中PAHs去除效果較差:T_2污染水平下,土壤中菲、芘去除率僅在31.94%～46.45%、28.17%～40.79%之間;T_4污染水平下,菲、芘去除率僅在24.18%～34.45%、22.29%～30.16%之間。修復過程中,植物對土壤中PAHs污染物有一定的吸收、富集作用:隨著土壤中PAHs添加濃度的升高,植物組織中PAils含量逐漸增大,但對PAHs污染物的富集系數卻逐漸減小;相同污染水平下,根系PAHs含量、富集系數遠大于莖葉。PAHs在根系富集系數與根部脂肪含量顯著正相關(r＞0.912),但與根部含水量關系不顯著(r＜0.557);相同條件下,植物根部的芘含量、對芘的富集系數均大于菲。 2.土壤-植物(金發(fā)草)系統(tǒng)對PAHs污染土壤的修復作用 以巖生植物金發(fā)草為試驗材料,研究了土壤-植物系統(tǒng)對土壤中芘、菲污染的去除效果,定量估計了生物與非生物因子對土壤污染修復的貢獻。結果顯示,試驗濃度范圍(20～322mg·kg~(-1))內,種植金發(fā)草能有效修復土壤中芘、菲污染。70d后,菲、芘去除率分別為50.97%～86.77%、46.45%～76.7%;比對照1(加0.1%NaN_3)高63.56%、58.6%,比對照2(無NaN_3)高46.09%、42.92%。金發(fā)草能吸收、富集部分PAHs,植物組織中PAHs含量隨添加濃度的升高而增大,且根部大于莖葉部、芘大于菲,但生物濃縮系數卻系逐漸減小。修復過程中,非生物因子、植物代謝、富集、微生物降解對菲的去除率分別為5.10%、0.32%、4.22%、17.47%,對芘的去除率分別為2.56%、4.27%、2.01%、15.68%;植物-微生物交互作用對菲、芘的去除率分別為41.56%、36.64%。說明植物-微生物交互作用是金發(fā)草修復菲、芘污染的主要途徑。 3.種植模式(單種、混種)對PAHs污染土壤修復作用的影響 以油菜、紫花苜蓿、白三葉三種植物為試驗材料,對比研究了植物在單種、混種模式下對土壤中PAHs的去除效果、修復行為。結果顯示,試驗濃度范圍(20～322 mg·kg~(-1))內,種植植物能促進芘、菲的去除,種植紫花苜蓿、白三葉比種植油菜的修復效果更為明顯:70 d后,種植紫花苜蓿土樣中菲、芘濃度分別為6.03～141.20 mg·kg~(-1)和7.53～191.15 mg·kg~(-1),白三葉所在土樣中分別為6.66～150.37 mg·kg~(-1)和6.96～183.58 mg·kg~(-1)。與無植物對照(菲、芘去除率僅為22.57%、18.24%)相比,種植紫花苜蓿、白三葉后,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-白三葉(P_5)混種組合中,分別有74.87%、72.01%的菲和62.81%、68.44%的芘被移除,混種時被植物體所積累的菲、芘量也遠低于相同污染水平下單物種栽培時同種植物的積累量。各種修復因子中,植物-微生物交互作用的強化效應最大,植物自身的吸收、積累在PAHs去除過程中的貢獻率則相對較小。多物種聯合修復能強化PAHs的修復效果,在一定程度上減少了PAHs等污染物在植物組織中的積累。 4.PAHs去除過程中各種修復因子的作用、土壤酶活性的動態(tài)變化 采用盆栽試驗法,對比研究了各種修復因子在植物修復PAHs污染土壤過程中的貢獻率、土壤酶(脲酶、多酚氧化酶、脫氫酶)活性的動態(tài)變化特征。結果顯示,在72d的修復過程中,不同時期內各種生物、非生物因子對土壤中芘、菲去除的貢獻率也不一樣,修復早期(0～36d),微生物降解對PAHs去除的貢獻率較大;修復后期(36～72d),植物-微生物交互作用的貢獻率較大。修復前期(0～24d),土壤酶活性受到不同程度的抑制,隨著修復過程的延續(xù),土壤酶活性逐漸恢復或被激活。整個修復過程中,植物-微生物交互作用對土壤中芘、菲去除的貢獻率與脫氫酶、脲酶、多酚氧化酶的酶活性顯著正相關,相關系數均大于0.96。說明在土壤-植物系統(tǒng)中,植物-微生物間交互作用主要是通過改變土壤酶活性來促進PAHs的去除。 5.蚯蚓對PAHs污染土壤的忍耐性及其生態(tài)影響 采用盆栽試驗法,研究了蚯蚓(Pheretima sp.)對PAHs污染土壤的相互作用。結果顯示:供試蚯蚓能存活于中度菲、芘污染(20～320 mg·kg~(-1))的土壤中,重污染條件(510 mg·kg~(-1))下,蚯蚓的生長受到明顯抑制;中度污染時,蚯蚓活動能明顯降低土壤的pH值.降低幅度分別為0.16～0.21、0.13～0.19個單位,但重污染時降幅僅為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。試驗期間,蚯蚓活動對土壤中菲、芘去除產生了一定的促進作用,其平均去除率(15.03%、12.30%)均超過無蚯蚓對照土樣(13.20%、10.58%):同時,蚯蚓自身也能富集一定量的菲、芘,蚓體內PAHs含量隨PAHs添加量的增加而增大,富集系數則隨PAHs添加量的增加而減小。說明供試蚯蚓能在設定濃度的PAHs污染土壤中正常生存,其活動對土壤性質有一定的改善作用。 6.蚯蚓活動對植物修復土壤菲芘污染的強化作用 對比研究了添加、沒添加蚯蚓條件下土壤-植物(蘇丹草)系統(tǒng)對土壤中菲、芘的去除效果與修復行為。結果顯示,70d的試驗期間,種植蘇丹草的污染土壤(初始添加濃度為20～322mg·kg~(-1))中,菲、芘去除率分別為88.43%～60.42%,80.18%～53.99%,對照土樣(無植物)中,菲、芘去除率僅為30.08%～14.73%,24.23%～12.28%;添加蚯蚓后,種植蘇丹草土樣中菲、芘去除率高達93.42%～66.40%,86.39%～60.96%,分別比沒添加蚯蚓土壤-植物(蘇丹草)系統(tǒng)高出5.63%～9.93%,7.73%～12.91%。各種修復因子中,植物-微生物交互作用的強化效應最大;同等污染水平下,蚯蚓活動對芘的強化去除效應總是大于菲。可見,添加蚯蚓對土壤-植物系統(tǒng)修復芘、菲污染具有明顯的強化效應,尤其有助于高分子污染物的修復。 7.PAHs污染土壤的植物-土壤動物-土著微生物復合修復技術研究 采用正交試驗法,研究了土壤水分、腐殖質含量以及蚯蚓活動對土壤-植物(蘇丹草)系統(tǒng)修復土壤PAHs污染的影響。結果顯示,植物根系的生長狀況與土壤-植物系統(tǒng)對PAHs污染土壤的修復效果密切相關,蘇丹草根重與PAHs去除率顯著正相關;環(huán)境條件(含水量、腐殖質、蚯蚓活動)除直接對土壤理化性質產生影響外,還可通過改變植物根系的生長狀況影響土壤中PAHs的去除程度;被監(jiān)測環(huán)境因素中,含水量(WHC,water holding capacity)對PAHs去除的影響程度最大,蚯蚓添加量次之,腐殖質含量相對較小。所有正交組合中,S_(10)(即每盆添加6條蚯蚓、腐殖質含量為13.44 g·kg~(-1)、45%WHC)、S_9(即6條蚯蚓添、5.94 g·kg~(-1)腐殖質、30%WHC)、S~(14)(即9條蚯蚓、3.44 g·kg~(-1)腐殖質、45%WHC)的修復效果最好:T_1(菲:40.88 mg·kg~(-1);芘:39.58 mg·kg~(-1))污染水平下,菲、芘去除率分別為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、芘去除率分別為77.59%、72.84%、72.13%和71.13%、66.33%、67.67%。菲、芘去除率明顯高于相同污染水平的對照組S_1(即無蚯蚓、3.44 g·kg~(-1)腐殖質、30%WHC)。說明在適宜環(huán)境條件下,利用植物-土壤動物(蚯蚓)-土著微生物間的聯合作用實現PAHs污染土壤的生態(tài)修復是可行的。
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：X53

【參考文獻】

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1 周啟星,宋玉芳;植物修復的技術內涵及展望[J];安全與環(huán)境學報;2001年03期

2 耿春女,李培軍,韓桂云,張海榮,張春桂,鞏宗強,王新;生物修復的新方法——菌根根際生物修復[J];環(huán)境污染治理技術與設備;2001年05期

3 程國玲,李培軍,王鳳友,周啟星,臺培東,韓桂云,張海榮;多環(huán)芳烴污染土壤的植物與微生物修復研究進展[J];環(huán)境污染治理技術與設備;2003年06期

4 程國玲,李培軍,王鳳友,郭偉,藺昕,鞏宗強,宮旋;多環(huán)芳烴污染土壤生物修復的強化方法[J];環(huán)境污染治理技術與設備;2005年06期

5 ;Phytoremediation and its models for organic contaminated soils[J];Journal of Environmental Sciences;2003年03期

6 ;Phytoremediation for phenanthrene and pyrene contaminated soils[J];Journal of Environmental Sciences;2005年01期

7 ;Polycyclic aromatic hydrocarbon in urban soil from Beijing, China[J];Journal of Environmental Sciences;2006年05期

8 潘聲旺;魏世強;袁馨;曹生憲;;金發(fā)草對土壤中菲、芘的修復機制[J];環(huán)境科學;2009年05期

9 劉期松,楊桂芬,張春桂,許華夏,姜晴楠;污灌土壤中多環(huán)芳烴自凈的微生物效應[J];環(huán)境科學學報;1984年02期

10 韓清鵬,成杰民,周娟,張強,陳麗敏,胡健,殷士學;蚯蚓活動對鋅污染土壤中氮素轉化影響的研究[J];江蘇農業(yè)研究;2001年03期

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本文編號：2621997