生物刺激法修復DDTs污染農田土壤研究

王輝, 劉春躍, 榮璐閣, 孫麗娜*, 甘宇, 王英剛, 吳昊, 王曉旭

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生物刺激法修復DDTs污染農田土壤研究

王輝, 劉春躍, 榮璐閣, 孫麗娜*, 甘宇, 王英剛, 吳昊, 王曉旭

沈陽大學區域污染環境生態修復教育部重點實驗室, 沈陽 110044

DDTs污染是我國農田土壤普遍面臨的一個問題, 污染狀況雖有所轉, 但對人體健康仍存在風險。為了更好的修復DDTs污染土壤, 探討了生物刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的可能性, 研究了不同條件對土著微生物降解污染農田土壤中DDTs的影響。結果表明: 生物刺激法可以促進土壤中DDTs降解菌數的增殖, 提高修復DDTs污染的農田土壤的效率。修復五個月后與CK相比, 添加葡萄糖、血粉和乳化油后DDTs的降解效率分別提高了20.29 %、28.59 %和17.65 %。與葡萄糖和乳化油相比, 血粉可以長效的刺激土著微生物降解土壤中的DDTs。與其他方法相比, 定期翻土可以顯著提高DDTs的降解效率, 五個月的降解效率由32.18 %提高到43.41 %。因此添加血粉輔以定期翻土可以用于修復DDTs污染農田土壤, 且具有較好的應用前景。

滴滴涕; 土著微生物; 血粉; 生物刺激; 葡萄糖

1 前言

滴滴涕(DDTs)是一種含氯離子的廣譜殺蟲劑, 分子式為Cl4H9Cl5, 主要異構體及同系物為p,p′- DDT、o,p′-DDT、p,p′-DDE、p,p′-DDD, 從20世紀50年代開始廣泛使用于防治農業病蟲害和減輕瘧疾的傳播[1–3]。在1983年以前, DDTs農藥在我國被廣泛使用, 導致了930萬公頃受到不同程度的污染[4]。雖然1983年后DDTs被禁止作為殺蟲劑大規模生存和使用, 但是由于其易于吸附到土壤顆粒中, 且化學性質穩定、生物利用率較低, 因此導致其在環境中仍長期存在[2]。沈陽市城郊作為沈陽市農產品的重要產地, 也曾大量使用過DDTs農藥, 雖然已長時間的禁用, 但沈陽郊區表層土壤中DDTs的檢出率仍然很高, 其中沈陽細河沿岸表層土壤中DDTs平均濃度達到37.08 μg·kg-1 [5–6]。DDTs具有較強的脂溶性, 易于通過食物鏈富集于動物和人體的脂肪中[7], 對動物和人體存在一定的風險。

同時農田土壤的有機污染具有范圍廣、污染物濃度相對較低的特點, 化學修復法和微生物修復法會投加化學藥劑和外源微生物, 修復成本較高, 且可能造成二次污染, 因而不利于污染農田土壤的修復。而生物刺激法通過投加營養物質刺激土著微生物降解污染物, 工藝簡單, 對環境的影響較小, 因此可以使用生物刺激法修復DDTs污染農田土壤。

本研究針對農田土壤DDTs污染濃度低、面積大的特點, 選擇生物刺激法原位刺激土著微生物修復DDTs污染農田土壤, 開展添加不同營養物質的降解效果研究, 并進行比較分析, 選取適宜的營養物質, 并在此基礎上開展了不同修復條件對DDTs污染農田土壤修復效果的影響研究, 為安全快速的修復有機污染的農田土壤提供了科學依據。

2 材料和方法

2.1 修復現場

本研究的修復實驗選取在沈陽市沈北新區前進農場的D3大棚中進行(42°05′02.62″N, 123°31′42.79″ E)。大棚中土壤耕作層(0—20 cm)經平整混勻后測定質地為粉砂質粘土, 其土壤粒度在0.01—2、2—50、50—1000 μm范圍內分別占 26.11 %、72.82 %、1.07 %。土壤pH值為6.87—7.17, 有機碳含量為3.15 %, 陽離子交換量為13.09 cmol·kg–1, 污染物DDTs含量為47.94 μg·kg–1, 總氮含量為3.23 mg·kg–1, 總磷含量為0.29 mg·kg–1, 土壤C:N:P為100:10.2:0.92。

2.2 實驗設計

大棚經平整混勻后, 劃分為1 m×1 m的地塊備用, 地塊間隔30 cm的距離, 以避免不同處理間的相互干擾。共設置兩批實驗: (1)不同營養物對于原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的影響研究: 選取葡萄糖、血粉和乳化油為營養物, 開展原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的實驗。其中葡萄糖、血粉和乳化油的添加量為5 g·kg–1土, 葡萄糖購置于天津博迪化工股份有限公司, 血粉購置于貴州金萬和農業科技有限公司, 乳化油為實驗室以大豆油為原料、吐溫–80 為乳化劑自行制備[8]; (2)不同修復條件對于原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的影響研究: 在實驗(1)選取的營養物的基礎上, 研究調整土壤C:N:P比、定期翻土、添加Fe2+離子和多次添加營養物對于原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的影響。其中調整土壤C:N:P比實驗中, 以磷酸鈉作為P源, 硫酸銨作為N源調整土壤C:N:P為100:15:1[9–10]; 定期翻土試驗中, 每周對實驗土塊的耕作層進行翻土; 添加Fe2+離子實驗中, Fe2+離子的添加量為0.02 g·kg–1; 多次添加碳源試驗中, 設置為修復前、修復一個月、修復三個月三次添加營養物, 每次添加量均為5 g·kg–1土。

為確保實驗數據的準確性, 每個處理設置三個平行。分別于修復前、修復一個月、修復三個月、修復五個月, 按照梅花采樣法對每個地塊的耕作層土壤樣品進行采集。

2.3 土壤中DDTs的測定

去除植物殘渣和石塊等雜物后, 土壤樣品避光風干并進行研磨。過60目篩后, 準確稱取5.00 g土壤樣品置于萃取池中, 使用1:1(v:v)的正己烷和丙酮的混合液為萃取液[11], 利用加速溶劑萃取儀(ASE300)進行萃取, 并參照《土壤中六六六和滴滴涕測定的氣相色譜法(GB/T 14550—2003)》進行凈化[12], 凈化后用色譜純正己烷定容到1 mL的氣相進樣瓶中使用氣相色譜CP-3800(VARIAN INC)進行測定。色譜柱為CP-sill 8CB型石英毛細管柱(30 m×0.32 mm×0.25 um), 色譜柱升溫程序為: 柱溫120 ℃(1 min)→ 230 ℃(25 ℃·min–1, 0 min)→ 255 ℃(3 ℃·min–1, 0 min)→ 280 ℃(20 ℃·min–1, 5 min); 進樣口溫度250 ℃; 檢測器溫度300 ℃; 載氣為高純氮氣, 流速0.6 ml·min–1; 尾吹30 mL/min; 進樣量1 uL(不分流)。測定過程中使用外標法定量, DDTs標樣(p,p′-DDT、o,p′-DDT、p,p′-DDE、p,p′-DDD)購置于百靈威科技有限公司。樣品在測試過程中進行空白樣品和基質加標回收率測定, 方法回收率為89.2%—107.1%。所有實驗均設置了三個重復, 數據均為三個平行樣的均值。在測試過程中隨機抽取樣品進行重復測試, 當重復測試誤差大于10%時, 需對設備進行調試和校正。

3 結果和討論

3.1 不同營養物對于原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的影響

經過五個月的修復, 添加葡萄糖(T5)、添加血粉(X5)和添加乳化油(R5)原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的效率見圖1。從圖1中可以看出, 與CK相比, 添加營養物后土壤中DDTs的濃度顯著降低, DDTs污染土壤修復效率顯著提高, 修復五個月后, T5、X5和R5處理的DDTs污染土壤修復效率分別提高了20.2 %、28.5 %和17.65%。原位生物刺激法已在一些有機污染土壤修復中被應, 劉虹等發現以硫酸銨和磷酸二氫鉀為激活劑刺激土著微生物對土壤中石油烴進行修復, 30 d 的修復率達 86.27%[10]; 樊鵬軍等進行了石油污染土壤原位生物修復的強化實驗研究, 發現單純添加營養物質不接種高效微生物可使降解率比在自然條件下提高約 25%[13]; 滕應等在進行多氯聯苯復合污染土壤的土著微生物修復強化措施研究中發現加入淀粉、葡萄糖和琥珀酸鈉均在一定程度上增加了細菌和真菌數量, 進而促進土壤中PCBs的土著微生物降解[14]。使用最大或然數法對添加營養物后土壤中DDTs降解菌數進行測定[15–16], 結果見圖2。從圖2中可以看出, 與CK相比較, 添加營養物后土壤中DDTs降解菌數顯著增加。在各處理中, 修復一個月后降解菌數達到最大值, 在T5、X5和R5中降解菌數分別達到4.4、4.2和4.3 log10CFUs·g–1干土, 而CK中降解均數僅為3.3 log10CFUs·g–1干土。因此, 通過投加外源性營養物可以促進DDTs降解菌數的增殖、刺激土著微生物修復DDTs污染土壤是切實可行的。但隨著修復時間的增加, 降解菌數不斷降低, 修復五個月后T5和R5組中降解菌數為3.1和3.2 log10CFUs·g–1干土, 而X5組較高為3.4 log10CFUs·g–1干土。這主要是由于隨著修復時間的增加, 一部分營養物不斷被消耗, 一部分營養物隨著土壤徑流不斷流失, 因此降解菌數逐漸降低。

添加營養物后DDTs污染土壤修復效率顯著提高, 但不同營養物在不同修復時間對于刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的效率差異顯著。修復一個月后, T5組修復效率最高, R5組次之, 而X5組最差。這主要是由于葡萄糖和乳化油具有良好的水溶性, 可以通過土壤溶液較好的分散到土壤顆粒中, 增加了與土壤中微生物的接觸機會, 能夠更好的促進土壤中微生物的增殖, 進而更好地促進了DDTs的降解, 使得T5和R5組中修復效率高于X5組。修復三個月和五個月后, X5組中DDTs污染土壤修復效率顯著高于T5和R5組, 這要與葡萄糖和乳化油具有良好的水溶性, 會由于田間灌溉隨著土壤溶液較快的進行遷移, 進而使土壤中碳源濃度降低, 而在X5組中, 血粉是一種顆粒物質, 不溶于水, 很難隨著土壤溶液進行遷移, 能夠較穩定的吸附到土壤顆粒中, 較長期的刺激土著微生物降解土壤中的DDTs。因此, 與葡萄糖和乳化油相比, 血粉能夠較長期的刺激土著微生物修復DDTs污染土壤, 是一種能夠長效的刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的營養物。

圖1 不同營養物對土著微生物修復DDTs污染土壤效率的影響

圖2 不同碳源對DDTs降解微生物數量的影響

為了快速有效的刺激刺激土著微生物修復DDTs污染土壤, 因此選取葡萄糖和血粉進行營養物的復合實驗, 復合實驗中DDTs污染土壤的修復效率見圖3。從圖3中可以看出, 修復一個月后, 不同處理中修復效率隨著碳源中葡萄糖含量的增加而增加, 其中X5、T1X4、T2X3和T2.5X2.5處理中DDTs污染土壤的修復效率分別為20.10%、21.24%、22.52%和23.14%。而在修復三個月和五個月后, 由于葡萄糖的大量流失, 各處理中修復效率隨著投加碳源中血粉含量的增加而增加。修復五個月后, X5、T1X4、T2X3和T2.5X2.5處理中DDTs污染土壤的修復效率分別為32.18%、29.19%、28.76%和26.69%, X5組中DDT污染土壤的修復效率最高, 因此可以選擇單獨添加血粉作為原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的營養物。

3.2 不同修復條件對原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的影響

為研究不同修復條件對于原位刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的影響, 選取血粉作為刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的營養物, 調整土壤C:N:P比(X5NP)、定期翻土(X5F)、添加Fe2+離子(X5Fe)和多次添加血粉(3X5)為不同輔助條件, 對DDTs污染土壤修復效率的進行分析, 結果見圖4。修復一個月后X5、X5NP、X5F、X5Fe和3X5組中DDTs污染土壤的修復效率分別為20.10%、19.58%、31.64%、23.14%和24.47%, 而修復五個月后, DDTs污染土壤的修復效率分別變為32.18%、30.91%、43.41%、27.92%和39.37%。因此隨著修復時間的增加, 各處理中DDTs污染土壤的修復效率不斷提高, 但不同處理中修復效率的增加情況差異較大。與X5組相比, X5F組中降解效率提高程度最顯著, 修復效率提高了34.91%, 3X5組次之, 且在修復一個月、三個月、五個月后X5F和3X5組的修復效率都大于X5組。而X5NP和X5Fe組中修復效率的增長速度不斷波動, 修復五個月后其修復效率反而低于X5的修復效率。

圖3 復合營養物對于土著微生物修復DDTs污染土壤效率的影響

圖4 不同處理條件下土壤中DDTs污染土壤的修復效率的影響

為了科學全面的比較不同條件對于添加血粉刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的影響, 對X5、X5NP、X5F、X5Fe、3X5組中修復后土壤中DDTs濃度進行成對的T檢驗, 用以比較不同處理對于修復結果的影響, 檢驗結果見表1。當成對的T檢驗中, 當Sig值大于0.05時, 說明被比較的兩個樣品間無顯著差異; 當Sig值小于0.05時, 說明被比較的兩個樣品間存在顯著差異。

表1 不同條件下血粉原位刺激修復后土壤中DDTs濃度的T檢驗結果

從表1中可以看出在成對的T檢驗中, X5-X5F之間的Sig值(0.0074)小于0.05, 即經過定期翻土后, 土壤殘留的DDTs濃度較未定期翻土中DDTs發生了顯著變化, 同時由于X5F組中DDTs降解效率高于X5組中的降解效率, 因此定期翻土對于血粉刺激土著微生物的降解效率提到了促進作用。這主要是由于定期翻土可以提高土壤中氧含量, 起到了土壤通氣的作用, 有利于土壤中好氧微生物的增殖, 而微生物的大量增殖促進了土壤中DDTs的降解, 同時氧氣可以作為污染物氧化分解的最終電子受體, 因此定期翻土也為污染物的降解提供了更多的電子受體[17]。在X5-X5Fe之間的Sig值(0.1057)大于0.05, 即添加Fe2+離子后, 土壤中殘留的DDTs濃度未發生顯著變化, 同時對照不同處理條件下血粉刺激土著微生物修復DDTs結果(圖2)可以看出添加Fe2+離子后, 降解效率反而發生了一定的下降。同樣的現象在張春玲研究降解六六六低溫菌的篩選中也有發現, 當 Fe2+含量大于0.02 g·L–1時微生物對六六六的降解率會降低[18]。在X5-X5NP之間的Sig值(0.7028)大于0.05, 即調整土壤C:N:P比并未對血粉刺激土著微生物降解土壤中DDTs產生顯著影響。N和P是微生物生存的必須營養物質, 是限制微生物活性的重要因素, 通常情況下補充氮磷可以促進土壤微生物的生長繁殖[19–20],但血粉中賴氨酸和亮氨酸以及纈氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、色氨酸的含量都很豐富, 在額外的添加N營養物, 會使土壤中N營養物過高。已有研究發現過量的N營養物會抑制微生物對石油污染物的降解, 但P營養物影響較小[21]。因此再額外的添加NP營養物未對血粉刺激土著微生物修復土壤中DDTs的降解起到顯著的促進作用, 反而抑制了其的降解。在3X5組中DDTs的平均修復效率高于X5組中DDTs的平均修復效率, 這說明與單次添加血粉相比, 多次添加血粉對于刺激土著微生物降解土壤中DDTs的效率較高, 但在對X5- X5NP進行成對的T檢驗的結果中, Sig值(0.1843)大于0.05, 即多次添加血粉在一定程度上較單次添加血粉更能促進土壤中DDTs的降解, 其提高程度僅次于定期翻土, 但提高程度在統計學上不顯著。多次添加血粉可以提高土壤中營養物質濃度, 同時添加血粉的混勻過程中需要翻土, 這也在一定程度上增加了土壤中的氧含量, 促進了土壤中DDTs的修復。同時由于農田土壤中DDTs污染濃度不高, 單次添加的血粉量已經能夠為土著微生物提供較充足的營養物質, 多次添加血粉可以提高DDTs的修復效率, 但提高程度不顯著。

4 結論

本文開展了DDTs污染土壤的原位土著微生物修復及強化措施研究, 結果表明: 添加外源性營養物刺激土著微生物修復DDTs污染土壤是切實可行的, 由于其簡單宜行且環境友好, 具有良好的應用前景。添加葡萄糖、血粉和乳化油修復五個月后, DDTs的降解效率與CK相比較分別提高了20.29%、28.59%和17.65%。同時與葡萄糖和乳化油相比, 修復五個月后添加血粉組DDTs的降解效率最高(32.8 %), 而且血粉穩定性較好, 可以作為一種長效的外加碳源刺激土著微生物降解污染土壤中的DDTs。與調整C:N:P比、添加Fe2+和多次添加血粉相比, 定期翻土可以顯著提高血粉刺激土著微生物修復DDTs污染土壤的效率, 修復五個月后平均修復效率由32.18%提高到43.41%。綜上所述, 添加血粉同時輔以定期翻土可以作為DDTs污染農田土壤的修復方案, 在實際修復工程中進行應用。

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WANG Hui, LIU Chunyue, RONG Luoge, et al. The study on biostimulation of indigenous microbial remediation in DDTs polluted farm soils[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 207-212.

The study on biostimulation of indigenous microbial remediation in DDTs polluted farm soils

WANG Hui, LIU Chunyue, RONG Luoge, SUN Lina*, GAN Yu, WANG Yinggang, WU Hao, WANG Xiaoxu

Key Laboratory of Regional Environment and Eco-remediation of Ministry of Education, Shenyang University, Shenyang 110044, China

It was a common problem that the farmland soil was contaminated by DDTs in China. The pollution situation has been improved, but there is still potential risk to human health. The potential application of biological stimulation on indigenous microbial was explored in the bioremediation of DDTs contaminated farmland soil, and the effect on remediation rate of DDTs was investigated in different remediation conditions. The results showed that biostimulation could effectively increase the number of DDT-degrading bacteria in soil, and it was an effective remediation method to degrade DDTs in the farmland soil. The remediation efficiency increased 20.29%, 28.59% and17.65% in glucose, blood meal and emulsified oil compared to CK, respectively. The blood meal was a long term effective method on stimulating indigenous microorganisms to degrade DDTs compared with glucose and emulsified oil. Plowing the land once a week could effectively increase the remediation efficiency of DDTs by biostimulating using blood meal, and degradation efficiency increased from 32.18 % to 43.41 % in five months. Therefore, biostimulation on indigenous microbial using blood meal supplemented by plowing the soil once a week couldbe used for remediation of DDTs contaminated farmland soil, and it has a good application prospect.

DDTs; indigenous microorganism; blood meal; biostimulation; glucose

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.028

X592

A

1008-8873(2017)06-207-06

2017-06-22;

2017-08-24

國家重點基礎研究發展計劃項目(2014CB441106); 遼寧省自然科學基金指導計劃(20170540656); 沈陽市科學事業費競爭性選擇項目(城市生態環境風險管理及其修復技術研究)

王輝(1981—) , 男, 博士, 副教授, 主要從事污染控制與修復研究工作, E-mail: huiwang425@126.com

孫麗娜, 女, 博士,教授, 主要從事土壤修復研究, E-mail: ericwh@126.com