蚯蚓對植物修復永久性有機污染物的影響

潘聲旺,李 玲,袁 馨

(1.成都大學環境科學與工程研究所,四川成都 610106;2.西南大學資源環境學院,重慶 400715)

0 引 言

多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是環境中普遍存在的持久性有機污染物(persistent organic pollutants,POPs),性質穩定、水溶性差,其在環境中的含量逐年上升[1].因環境中PAHs多數具有“三致”效應,嚴重威脅著人類健康和農產品質量安全,修復土壤PAHs污染已成為環境領域的焦點問題之一.

蚯蚓是土壤中普遍存在的一類廣譜性動物,蚯蚓活動不僅能改善土壤理化性質,活化微生物活性[2],還能促進修復植物的生長[3].因PAHs的生物降解主要在好氧條件下進行[4-5],蚯蚓活動引發的土壤—植物系統理化性質與生態功能的改變,尤其是通氣狀況的改善,能否對植物修復PAHs污染土壤產生促進作用呢?相關研究鮮見報道.本研究擬以環毛蚓(Pheretima sp.)、紫花苜蓿(Medicago sativa)為材料,對比研究蚯蚓活動對土壤—植物系統中PAHs去除效果的影響,以期為PAHs污染土壤的生態修復提供試驗依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土 壤.

試驗用土壤為紫色土,采自旱地表層0～20 cm處,無污染史.其理化性質為:有機質22.3 g·kg-1, CEC 27.43 cmol·kg-1,pH值為7.19,速效N、P、K分別為114.6、24.7、94.8 mg·kg-1.

1.1.2 植 物.

以2周齡紫花苜蓿為試驗材料.種子經雙氧水處理后,無菌條件下催芽、培養14 d后備用.

1.1.3 蚯 蚓.

試驗用蚯蚓為為人工培育的環毛蚓,培育方法如下:風干的牛糞經脫氨、滅菌(蟲)后,重新碾碎,以60 g·kg-1(干重比)的比率與未污染的試驗土壤混勻后,分裝于底部有濾孔的瓷盆中(20 kg·pot-1).母蚓經雙氧水浸潤10 min后,均勻引入培養盆中,20± 2℃、40%田間持水量下室內培育30 d后,選擇同等大小(鮮重:0.5～0.6 g;體長:7～8 cm)、無環帶個體待用.

1.1.4 化學品.

菲(Phe,phenanthrene)是燃油和汽車尾氣排放PAHs的標志物,在污染土壤中檢出濃度較高.本研究以菲為PAHs代表物(購自德國Fluka公司,純度＞98%).

1.2 試驗方法

盆栽試驗在溫室內進行,試驗周期70 d.土壤采集后,風干、過3 mm篩.將一定量的菲經丙酮溶解后,均勻灑在土壤表層,待丙酮揮發后,多次攪拌、混勻,制備6個污染水平(T0～T5).40%田間持水量下平衡7 d后,測得土壤中菲的初始濃度分別為:0(T0)、20.05(T1)、40.88(T2)、81.05(T3)、161.44(T4)、322.06(T5)mg·kg-1.

試驗分為A、B兩組.

(1)A組包括4個處理、重復5次:處理1(CK1),土壤中加入0.1%NaN3(抑制微生物活性)[6],無植物;處理2(CK2),無植物,無NaN3;處理3(TR3),種植物,加0.1%NaN3;處理4(TR4),種植物,無NaN3.土壤裝盆后(2 kg·pot-1),除 CK1、CK2外,每盆移栽并保留紫花苜蓿幼苗12株.試驗期間,白天室溫維持在25℃,350 μmol·(m2·s)-1光照強度下持續光照16 h,夜間室溫控制在12℃左右;田間持水量維持在40%.

(2)B組中,除每盆添加8條蚯蚓外,試驗設計和試驗條件與A組相同,沒有額外投加食物(試驗期間,對照土樣(CK2)中蚯蚓體重較初始引入時平均減輕15.03%,各污染水平(T1～T5)下體重生長率與無污染的 T0組(-13.38%)間差異不顯著(n= 40,p＞0.05),其他處理(CK1、TR3、TR4)中生長狀況與 CK2類似,說明試驗條件適合蚯蚓生長[7]).

1.3 樣品測定與質量控制

70 d后采樣,土壤、植物組織中菲的提取與凈化方法參照文獻[8].蚯蚓組織中菲的提取、凈化參照Johnson[9]方法,并略有改進:洗凈后活體蚯蚓在去離子水中培養12 h后,轉移到活化硅膠中埋置48 h,待充分排凈體內雜質后,洗凈、用濾紙吸干、稱重;液氮真空干燥后,充分碾碎;與3倍重量的無水硫酸鈉混合,用正己烷索氏提取12 h;將提取液濃縮至1 mL后,用凝膠滲透色譜法(GPC)進一步去除少量的油脂殘余;濾液經旋轉蒸發器蒸干后甲醇定容2 mL,過0.22μm孔徑濾膜后待測.

經上述前處理后,HPLC(Waters600)測定,DAD檢測器(λ=246 nm)、流動相為甲醇加水(83∶17).在此條件下,檢出限為54.2 pg·L-1,土壤中菲的加標(外標法、下同)回收率為 95.9%(n=7,RSD＜5.5%)、植物組織為94.5%(n=7,RSD＜4.7%)、蚯蚓組織為91.9%(n=7,RSD＜5.5%).

1.4 數據處理

試驗數據處理采用SPSS 13.0進行Duncan’s多重比較.土壤中菲的去除率(R)計算式為,

式中,C0為初始濃度,Ct為取樣時殘留濃度.

去除因子 i對菲去除的貢獻率(Ti,即因子 i對菲的實際去除量與初始添加量的百分比)計算式為,

式中,Ri為因子i對菲的實際去除量,W為土壤質量.很明顯,所有生物、非生物因子的貢獻率之和理論上應等于去除率 R.

2 結果與分析

2.1 蚯蚓活動對植物生長的影響

圖1展示了A、B組土壤(無NaN3)中紫花苜蓿的生長狀況.結果顯示,試驗濃度范圍內,紫花苜蓿在菲污染土壤中能夠正常生長.無蚯蚓活動(A組)時,其單株生物量、根冠比與 T0水平(0.635 g、0.341 g)間差異不顯著(n=60,P＞0.05);有蚯蚓(B組)時,單株生物量較同一污染水平A組間增加16.63%～21.78%(平均值m=19.98%),其中,T1～T4水平的單株生物量與A組間差異顯著(n=60, p＜0.05).根冠比增加 20.58%～24.62%(m= 22.52%),與同一污染水平A組間差異顯著(n=60, p＜0.05).實驗數據說明,蚯蚓活動對菲污染土壤中植物生長具有一定的促進作用.

圖1 不同污染水平下紫花苜蓿的生長狀況示意圖

2.2 蚯蚓活動對土壤—植物系統中菲去除的影響

表1顯示,添加蚯蚓后,土壤—植物系統(TR4)中菲的殘留量明顯低于同一污染水平A組:試驗結束時,B組土壤中殘留量與種植紫花苜蓿的A組(TR4)間差異顯著(n=5,p＜0.05),但與無紫花苜蓿生長的A組(CK2)間差異達到極顯著水平(n=5,p＜0.01).此實驗數據表明,蚯蚓活動促進了土壤中菲的去除.

表1 不同處理條件下土壤中菲的殘留量

依照去除率(R=(C0-Ct)×100%/C0),可推算土壤中菲的去除情況.計算結果顯示,種植紫花苜蓿的土壤中菲去除率普遍高于同一污染水平的其他處理.T1～T5范圍內,B組土壤(TR4)中平均去除率高達73.42%(58.60%～81.82%);A組(TR4)去除率為64.02%(50.45%～76.01%),而無植物對照組(CK2)中僅為22.57%(14.73%～30.08%).

此外,相同處理條件下,同一污染水平A、B組土壤中菲的去除率差異反映了蚯蚓活動對土壤菲污染修復效果的影響程度(見圖2).從圖2可以看出,不同污染水平下,蚯蚓活動對菲去除的強化程度也不一樣.中度污染(T3)時強化程度最高(12.16%),重污染(T5)時次之(8.14%),低污染(T1)時僅為5.82%.

圖2 不同污染水平下菲的強化去除差異

2.3 蚯蚓活動對植物富集菲的影響

基于土壤殘留濃度與植物積累濃度,可推算植物對菲的根系濃縮系數與莖葉濃縮系數(RCFs or SCFs,root or shoot concentration factors)(見圖3).從圖3可以看出,隨著初始添加濃度的遞增,積累濃度逐漸增大,而RCFs、SCFs則逐漸減小;相同污染水平下,有蚯蚓作用時植物組織中的積累濃度與濃縮系數均小于無蚯蚓時.如 T1～T5范圍內,無蚯蚓作用時根系、莖葉部積累濃度為35.13(8.94～85.22)、6.92(1.90～16.58)mg·kg-1,有蚯蚓作用時分別為25.45(5.96～68.33)、4.92(1.21～12.98)mg·kg-1;無蚯蚓作用時RCFs、SCFs為1.02(0.54～1.86)、0.21(0.11～0.40),有蚯蚓作用時分別為0.92(0.51～1.63)、0.18(0.09～0.33).

圖3 植物組織對菲的積累作用

在圖3中,RE、SE和RN、SN分別代表有蚯蚓和無蚯蚓作用時菲在根系、莖葉部的積累濃度,同一污染水平上不同字母表示濃度差異顯著(p＜0.05); RCFs-E、SCFs-E和RCFs-N、SCFs-N分別為對應的根系、莖葉部菲濃縮系數.

2.4 蚯蚓對菲去除的強化途徑

土壤中菲的去除主要源于各種非生物因素(如吸附、光解、揮發等)和生物因素(如植物代謝、積累、微生物降解、植物—微生物交互作用等)的共同作用[8].如果用 Ta、Td、Tc、Tm、Tpm分別代表非生物損失、植物代謝、積累、微生物降解、植物—微生物交互作用在菲去除過程中的貢獻率,用R1、R2、R3、R4代表未添加蚯蚓時 CK1、CK2、TR3、TR4處理中菲的表觀去除率,則有:

B組土壤中,因蚯蚓組織對菲的直接吸收作用以及蚯蚓活動對各種生物、非生物因子可能產生的強化去除作用,B組 CK1、CK2、TR3、TR4處理中菲的表觀去除率變化可分別表述為:式中:ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4分別代表添加蚯蚓后CK1、CK2、TR3、TR4中菲去除率與相同處理條件下A組土壤中去除率的變化值;Tea、Tec、Ted、Tem、Tepm代表蚯蚓活動所引起的Ta、Tc、Td、Tm、Tpm變化量,Te代表蚯蚓組織直接吸收作用對菲去除的貢獻率.

由不同處理條件下土壤、蚯蚓組織、植物組織中菲含量,得出各修復因子在菲去除過程中的貢獻率如表2所示.

與A組相比,蚯蚓活動使土壤—植物系統(TR4)中菲的平均去除率提高了9.40%,其中被蚯蚓組織積累部分僅占總添加量的0.06%,這說明蚯蚓的直接吸收作用并不是菲被強化去除的主要途徑.試驗過程中,非生物性損失、植物代謝對菲去除的平均強化率僅為0.15%、0.39%,二者也不是菲被強化去除的主要途徑.相比之下,微生物降解、植物—微生物交互作用對菲去除的貢獻率變化較大,前者較A組(17.47%)提高了2.66%,后者較A組(37.97%)提高了 6.12%,分別占強化去除部分的28.39%、65.14%.

表2 生物、非生物因子在修復菲污染土壤過程中的貢獻率/‰

3 討 論

研究表明[10-11],植物—微生物交互作用是土壤—植物系統中 PAHs去除的主要途徑.因根系分泌物的種類、性質、生理活性存在一定的種間差異,其根際降解效應可能也不一樣[12-13];對污染物的忍耐性、污染環境中根系活動狀態是篩選修復植物的重要參數.本研究中,紫花苜蓿能夠在菲污染土壤中正常生長,其單株生物量、根冠比與對照組間無明顯差異,說明紫花苜蓿是適合用作菲污染土壤的修復植物[6].

試驗期間,土壤—植物系統(TR4)中菲的平均去除率由64.02%上升至73.42%,強化去除率高達9.40%.其中,28.39%的強化部分源于微生物降解, 65.14%的強化部分源于植物—微生物交互作用.這說明蚯蚓在植物修復土壤菲污染過程中所表現出的強化效應主要是通過植物—微生物交互作用實現的.Schaefer等[14]認為,蚯蚓活動不僅能提高土壤養分的有效性和周轉率,蚓糞中 N、P成分及其他營養鹽對促進土壤微生物的種群數量的增長、提高其代謝活性也具有重要作用.Singleton[15]等證實,蚯蚓腸道中假單胞菌(Pseudomonas)、乳桿菌(Acidobacterium)以及青霉菌(Penicillium)、毛霉菌(Mucor)以及曲霉菌(Aspergillus)對 PAHs具有明顯的降解作用.本研究也顯示:中等污染水平(81.05 mg·kg-1)下蚯蚓活動對菲去除的強化效果最好(12.16%).這可能與低污染條件下環境中污染物的生物可利用性較低[13],高污染條件下微生物受污染物的毒害作用,降解活性被抑制[7]有關.

盡管被蚯蚓組織所積累的菲相當有限(0.06%),但蚯蚓活動改善了土壤的理化性質、生態功能[16],尤其是土壤中通氣狀況的改善[17]對促進土壤—植物系統中菲的生物降解至關重要.Mallakin等[4]認為,對于具有較穩定π鍵結構的PAHs分子而言,充足的氧氣供給不僅能促進PAHs的起始氧化過程,也能間接地促進土壤中好氧微生物的生長,并強化其降解活性.此外,蚯蚓活動對紫花苜蓿生長的促進,尤其是對其根系生長的促進作用,對擴大其根際效應范圍,強化植物—微生物交互作用也具有十分重要的作用.

值得注意的是,與相同污染水平下土壤—植物系統相比,添加蚯蚓后菲在植物組織中積累濃度均明顯低于A組(n=5,p＜0.05),植物積累對菲去除的貢獻率也略小于A組,這可能與蚯蚓活動促進了土壤—植物系統對菲的去除、殘留濃度較低、可供根系吸收利用的菲資源相對較少有關.該現象也說明,蚯蚓活動能在一定程度上減少植物組織對污染土壤中菲的積累,降低其生態風險.

4 結 論

在20.05～322.06 mg·kg-1菲污染土壤中,蚯蚓活動促進了修復植物紫花苜蓿的生長,提高了污染土壤的修復效果:70 d后,土壤—植物系統中菲的平均去除率(73.42%)比無蚯蚓活動時(64.02%)提高9.40%,中度污染(81.05 mg·kg-1)時強化效應最顯著(12.16%);但被修復植物積累的菲少于相同污染水平無蚯蚓活動時,所有修復因子中,植物—微生物交互作用對菲去除的貢獻率(44.09%)較無蚯蚓時提高6.12%,占總強化部分的65.14%.試驗表明,土壤動物(蚯蚓)的活動可借助植物—微生物交互作用進一步強化植物(紫花苜蓿)修復永久性有機污染物(菲)污染土壤的去除作用.

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