β-環糊精強化鹽地堿蓬修復石油烴污染土壤

黃朝楊，張小娜，李欣桐，趙洪霞

（大連理工大學環境學院 工業生態與環境工程教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

隨著石油工業的快速發展，石油烴化合物（Petroleum hydrocarbons）污染土壤問題日趨嚴重，由直鏈烷烴和多環芳烴等化合物組成的石油烴污染物會對生態環境造成諸多不利影響，尋找能夠有效修復石油烴污染土壤的技術刻不容緩[1]。植物修復技術由于價格低廉、應用廣泛和生態友好等優勢，在實際場地應用方面有著光明的前景[2]。但較低的生物有效性限制了植物修復的效率，β–環糊精（β-Cyclodextrin）作為一種生態友好性表面活性劑可與污染物形成包絡配合物來增強污染物的溶解度[2]。β–環糊精與植物修復技術相結合的新型修復方法的應用已經成為土壤修復的研究熱點[3]。

本研究以β–環糊精作為增溶劑，選取濱海濕地優勢物種鹽地堿蓬作為修復植物，考察β–環糊精對石油烴污染土壤植物修復效率的強化效果。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及理化性質

研究使用的土壤采自遼寧省大連市大連理工大學校園實驗活動基地（38°53′18″N，121°30′65″E），采樣深度0～20 cm，土壤基本理化性質如表1所示。

表1 土壤基本理化性質

1.2 老化土的制備

土壤樣品丟棄砂礫等雜質后，自然干燥，經20目均質篩分，儲存試驗用。在丙酮中添加菲（PHE）、芘（PYR）、熒蒽（FLA）、正十六烷（C16）、正二十烷（C20）、正二十四烷（C24）、正二十八烷（C28）、正三十二烷（C32），配制成濃度為5 g/L 的溶液，而后均勻加入風干土里，混合均勻，在通風櫥內放置24 h 以待丙酮揮發完畢，而后在室溫下密封避光保存30 d 以上獲得老化土，污染物總濃度分別為10，50，200，800 mg/kg。

1.3 盆栽實驗

選取長勢相近的鹽地堿蓬5株移栽到500 g 污染土中培養。4種老化土設計以下處理：不加處理；植物加1 g/kg 環糊精；僅種植植物。4種濃度梯度的污染土根據濃度從低到高分別標記為P1、P2、P3、P4，在14、28、42 d 時取樣，每個處理設置三組平行。

1.4 石油烴污染物的提取和凈化

土壤：冷凍干燥后用丙酮/二氯甲烷混合溶液（1 ∶1，體積比）超聲提取土壤樣品30 min，收集上清液并重復三次。總萃取液氮吹濃縮至1 mL，而后通過硅膠柱進行凈化。硅膠柱填料自上而下依次為無水硫酸鈉和3%失活硅膠，預先用10 mL 正己烷活化，而后分別用15 mL 正己烷和25 mL 正己烷/二氯甲烷（1 ∶1，體積比）混合液洗脫。收集并合并洗脫液，氮吹至接近干燥，之后用正己烷復溶并定容至1 mL，過0.22 μm 濾膜轉移至色譜小瓶。在儀器分析之前，添加六甲苯（HMB）作為內標。

植物：與土壤樣品前處理方法不同的地方在于用正己烷/二氯甲烷混合溶液（1 ∶1，體積比）進行超聲提取，多層硅膠凈化柱填料自上而下依次由無水硫酸鈉、3%去活氧化鋁以及3%去活硅膠組成，其余部分相同。

1.5 檢測條件

樣品用氣相色譜儀（Agilent GC 6890N）與氫火焰離子化檢測器（FID 檢測器）聯用進行分析，采用30 mm×0.25 mm DB1-MS 色譜柱（J&W Science）。載氣為高純氮氣，流速為1.0 mL/min。檢測升溫程序為：60 ℃保溫2 min，40 ℃/min 至200 ℃，5 ℃/min至300℃，然后保持20 min。進樣器和檢測器溫度分別設置為280℃和250℃。進樣量為1 μL，無分流進樣。

1.6 數據處理

通過Origin 軟件與SPSS 軟件對數據進行分析，數據通過回收率進行了修正，內標指示物以及目標化合物的回收率為73.21%～104.76%。

2 結果與討論

2.1 β–環糊精對鹽地堿蓬生長的影響

如圖1所示，隨著污染物濃度的增加鹽地堿蓬的株高和干重顯著降低，植物生長受到的抑制作用逐漸增強。當在污染土壤中添加1 g/kg 的β–環糊精時，鹽地堿蓬的生長情況得到顯著改善，其高度和干重分別增加了10.9%～19.4%和10.3%～24.8%。環糊精改善植物生長狀況主要通過其特有的非極性疏水空腔與石油烴污染物分子之間形成包絡物，該包絡物內腔疏水而外表面親水易于進入到土壤孔隙水中，減輕污染物堵塞土壤孔隙和吸附在植物根系表面的作用。

圖1 β–環糊精對石油烴污染土壤中鹽地堿蓬生長的影響

2.2 鹽地堿蓬中石油烴類污染物的濃度水平

經過42 d 修復后，8種石油烴污染物在鹽地堿蓬各部位均有檢出。石油烴污染物通過三種主要途徑進入植物，包括：在蒸騰作用下污染物轉移到植物各個部位、從周圍大氣中吸收污染蒸汽、污染物通過灰塵沉積在植物表面進行擴散。石油烴污染物顯示出非常低的蒸氣壓難以揮發，因此植物根系是植物吸收和富集土壤中有機污染物的主要器官。各石油烴污染物在鹽地堿蓬體內的含量水平呈現根>莖>葉的順序，且環糊精的加入顯著提升了植物各部位中石油烴污染物的濃度。β–環糊精處理后鹽地堿蓬對800 mg/kg 污染濃度下的石油烴污染物吸收最多，根、莖、葉中石油烴污染物總含量分別為23.2 mg/kg（dw）、7.5 mg/kg（dw）、3.9 mg/kg（dw）。

2.3 β–環糊精對石油烴污染物生物有效性的影響

在以往的研究中，科學家發現環糊精對石油烴污染物有顯著的增溶作用，據此推測β–環糊精可以提高土壤中石油烴污染物的生物有效性[3]。從統計學上看，加入β–環糊精后植物根、莖、葉中的直鏈烷烴濃度增加了17.5%～38.2%，莖部增加了32.1%～51.3%，葉部增加了24.3%～51.3%。這樣的增溶效果在多環芳烴中也有發現，鹽地堿蓬在β–環糊精存在的情況下，其根、莖、葉中的多環芳烴濃度分別增加了37.0%～58.0%，29.2%～50.0% 和28.6%～42.9%。為評價β–環糊精作用下的石油烴污染物生物有效性，計算了不同濃度下污染物生物富集系數（BCF）。

式中：CRoot和CSoil為植物根部土壤中石油烴污染物濃度（mg/kg）。

結果顯示，同等污染濃度下β–環糊精的加入顯著提高了直鏈烷烴和多環芳烴的BCF，分別增加了16.9%～38.2%和26.7%～39.2%。

2.4 β–環糊精對土壤中石油烴污染物消散的影響

實驗室修復42 d 后，與未添加β–環糊精的空白對照組相比，所有加入β–環糊精的處理組中石油烴污染物的消散率明顯更高。當污染濃度最低時添加β–環糊精獲得了最高的消散率，土壤中的直鏈烷烴的消散率從23.7%提高到了39.7%，增加了67.6%，其中C16消散率最高為50.4%；而土壤中的多環芳烴消散率從28.14%提高到了44.9%，增加了59.6%，其中FLA 消散率最高為46.4%。值得關注的是隨著碳原子數的增加直鏈烷烴的消散率逐步下降，這與植物中直鏈烷烴的濃度水平有著相同的規律，進一步說明了β–環糊精可以通過提高直鏈烷烴的生物有效性來增強植物的修復作用。

3 結論

β–環糊精能提高石油烴污染物的生物有效性，增強植物修復作用，為β–環糊精輔助植物原位修復石油烴污染土壤的技術提供了數據支撐。