全 文 ：农业环境科学学报 2007,26(5):1884-1888
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:以菲为多环芳烃(PAHs)代表物,采用水培体系,研究了毛茛(RanunculusjaponicusThunb.)对富营养化水中菲的修复作用。
结果表明,供试植物(毛茛)对水中菲有很好的修复效果,168h后,水中菲去除率达 82%;与无植物对照相比,毛茛作用下菲的降解
速率常数(K)增大96.7%,半衰期则缩短49.2%。毛茛明显吸收水中菲。实验条件下,0~168h,毛茛的菲含量先快速升高,48h时菲
含量达到峰值(117.4mg·kg-1),而后趋于降低;0~168h,毛茛对水中菲的富集系数(PCF)则先升高而后趋于稳定。与无植物对照相
比,毛茛对水中菲去除的促进作用主要来自植物本身的积累和代谢,而微生物的贡献甚微。同时,实验条件下,毛茛对水中氮(N)、
磷(P)等也有很好的修复效果,168h后,水中N的去除率达89.6%,P元素则未检出。
关键词:植物修复;水污染;多环芳烃;富营养化
中图分类号:X173 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2007)05-1884-05
收稿日期:2006-12-19
基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划项目;国家自然科学基金
(20507009);江苏省青年科技创新人才学术带头人项目
(BK2006518);国际科学基金(C3985-1);南京农业大学青
年科技创新基金(Y200611)
作者简介:凌婉婷(1976—),女,贵州遵义人,博士,主要从事的研究方
向为环境污染控制、环境生物与生态工程。
通讯联系人:高彦征 E-mail:gaoyanzheng@njau.edu.cn
水是生命之源,但随着社会经济发展,世界上许
多国家都存在水环境污染问题。当前,我国水污染现
象相当普遍,其中有毒有机物引起的有机微污染问题
备受关注[1~3]。由有机物不完全燃烧或高温裂解等产生
的多环芳烃(PAHs)是环境中多见的一类重要有毒有
机污染物,具有慢性毒性和“三致”效 应[3]。水环境中
PAHs分布广泛、污染面广。我国污灌区普遍存在着
PAHs污染问题;据报道,我国城市地面水中 PAHs含
量可高达10!g·L-1,污染水中其含量往往更高[4]。作
为脂溶性有机污染物,PAHs易被水生植物或动物吸
收并在体内累积,可通过食物链危害生态安全和人类
健康,而传统的水处理方法往往很难有效地去除水中
PAHs[2]。因此,如何修复 PAHs等有机微污染的水体
毛茛对富营养化水中多环芳烃的修复作用及机理
凌婉婷,任丽丽,高彦征,李 建,宜 慧,李秋玲
(南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095)
PhytoremediationofPAHsinEutrophicWaterbyRanunculusjaponicusThunb.
LINGWan-ting,RENLi-li,GAOYan-zheng,LIJian,YIHui,LIQiu-ling
(ColegeofResourcesandEnvironment,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)
Abstract:PhytoremediationofPAHs,phenanthreneasarepresentative,ineutrophicwaterbyRanunculusjaponicusThunb.wasstudied.Af-
ter168h,82%ofphenanthrenewasremovedfromwaterinthepresenceofRanunculusjaponicusThunb.Thedegradationconstant(K)was
96.7%largerandhalf-lifeofphenanthrenewas49.2%shorterinthepresenceofplantthanthoseforunplanted-controls.Theconcentrations
ofphenanthreneinplantincreasedsharplyin0~168handdecreasedthereafter,andthehighestconcentrationofphenanthreneinplant
(117.4mg·kg-1)wasobservedat48h.Whileplantconcentrationfactors(PCFs)increasedfirstuntilreachedaplateauintheuptakeduration
of0~168h.Comparedwiththeunplantedcontroltreatments,RanunculusjaponicusThunb.significantlyenhancedthedegradationof
phenanthreneinwater,whichowedmainlytotheplantaccumulationandmetabolismofthisPAHs,andmicrobialdegradationcontributedlit-
tletotheenhancementofphenanthrenedissipation.RanunculusjaponicusThunb.alsoshowedahighremediationeficiencyforNandPin
water.After168h,89.6%ofNwasremovedfromwater,andPwasnotdetectableattheendofuptakeduration.Theseresultswouldprovide
someusefulinformationforcost-efectivephytoremediationofinorganic-organicco-contaminatedwaterbodies.
Keywords:phytoremediation;watercontamination;PAHs;eutrophication
第26卷第5期 农 业 环 境 科 学 学 报
受到人们广泛关注。
植物修复被看作为面源污染水环境治理的一种
经济、有效手段,近年来备受重视。水生植物利用CO2
和水合成有机碳化物,并吸收水中的氮(N)磷(P)等
元素、作为其生长发育所必需的营养物质,从而可有
效地解决水富营养化问题。利用水生植物净化水中重
金属已有较多报道[5],近些年来,一些学者研究了有毒
有机物污染水环境的植物修复作用,但主要是一些农
药类有机污染物[6、7],尚很少涉及PAHs等持久性有毒
有机物。国内外有机-无机复合污染的水环境相当普
遍,其中水富营养化和有机微污染问题往往共存[1]。但
迄今,能否利用水生植物来修复富营养化水中PAHs
尚少有报道;另外,由于植物对 PAHs的吸收行为尚
不明确,其修复机理有待探讨。
菲是一个有代表性的 PAHs[4],污染水中菲的检
出率一般较高,环境中菲浓度与其他PAHs浓度有较
好的相关性。本文以菲为PAHs代表物,采用水培体
系,研究植物对富营养化水中菲的修复作用,在探讨
植物对菲吸收作用的基础上,阐释其修复机理,试图
为防治水PAHs污染等提供依据。
1 材料与方法
1.1试剂与仪器
菲购自 AldrichChemicalCo.,纯度>98%,其分子
量、水中溶解度(25℃)、辛醇-水分配系数(lgKow)分
别为178.23g·mol-1、1.18mg·L-1、4.46[8]。二氯甲烷、丙
酮、正己烷、无水硫酸钠、层析用硅胶(200~300目)为
分析纯;甲醇为色谱纯。
主要仪器:KQ-300DE医用数控超声波清洗器,
RM-3旋转浓缩蒸发器,JouanVXE38Q超低温冰箱,
Agilent-1100高效液相色谱仪(HPLC)。
1.2实验方法
向含有 1L培养液的玻璃培养器皿中加入菲的
甲醇储备液 (控制甲醇浓度<1‰)[1、4],定容至 1.2L
后,制得含1.0mg·L-1菲的培养液。采集的毛茛(Ra-
nunculusjaponicusThunb.)温室中预培养 10d,选择
生长势较为一致的植株洗根后移入玻璃培养器皿中,
每盆3株,培养器皿外壁用黑布包裹,以使根系和溶
液避光。培养过程中适量补充蒸馏水,以维持液面高
度。分别于0、6、48、96、168h采集水和植物样品。每
个处理设4个平行。培养液组成为Hoagland半强度
营养液[1],其 N、P元素的起始浓度分别为 67.9和 7.8
mg·L-1,达到水富营养化水平。
1.3主要分析指标和方法
植物生物量:植物样品采集后,用蒸馏水充分淋
洗、滤纸浸干植物表面水分,称重,计算得单株植物生
物量。
植物含水量的测定[1]:准确称取一定量上述处理
的植物样品,105℃下烘24h,干燥器中冷却至室温,
重新称重(植物干重),前后重量差即为植物含水量。
植物样品分析[1、4]:植物样品粉碎、混匀后,称取一
定量样品于25mL玻璃离心管中,用30mL1∶1的丙
酮和正己烷混合液分3次、每次10mL超声萃取30
min;将萃取液收集、过无水硫酸钠柱后,转移到旋转
蒸发瓶中;40℃恒温下将萃取液浓缩至干,用正己烷
定容到 2mL;然后取 1mL过硅胶柱净化,用一定量
的二氯甲烷和正己烷溶液洗脱;洗脱液收集至旋转蒸
发瓶后,40℃恒温下浓缩至干,用甲醇定容到2mL,
过0.22μm孔径滤膜后,高效液相色谱(HPLC)分析。
菲的方法回收率为 103.1%,相对标准偏差(RSD)为
3.34%(n=5)。
水样分析[1、4、9]:准确移取一定量水样于 10mL比
色管中,用甲醇适当稀释(甲醇与水体积比为1∶1),过
0.22μm滤膜后用HPLC分析。
HPLC分析条件:色谱柱为4.6mm×150mm烷基
C18反相柱;流动相为甲醇/水,流速 1mL·min-1;柱温
为30℃;进样量30μL;检测波长245nm。
利用Excel及SPSS统计软件进行试验结果的数
据整理和统计分析。
2 结果与分析
2.1植物生长状况
培养液中菲的起始浓度为1mg·L-1。0~168h,毛
茛生物量持续增加(图1),从0.36g·株-1增至0.52g·
株-1(干重计),增长47.8%。实验条件与无菲污染对照
处理相比,生长于含有菲的培养液中的毛茛生长良
好,除生物量略有降低外,植物生长没有表现出其他
可见的表观毒害效应。
2.2植物修复作用
绘制了水中菲浓度-时间关系曲线。由图2可见,
0~168h,水中菲浓度下降明显;毛茛作用下,水中菲
浓度从1mg·L-1降为0.18mg·L-1,去除率为82%。与
无植物对照相比,0~168h,毛茛存在下水中菲浓度显
著低于对照。可用一级反应速率方程来拟合水中菲的
降解过程(如图2;r>0.92),毛茛作用下菲的降解速率
常数(K)为 0.0118,比无植物对照(0.006)大 96.7%。
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2007年9月
进一步计算了水中菲降解的半衰期(T1/2),T1/2=ln2/K[1],
有、无毛茛情况下菲降解半衰期分别为 58.7h和
115.5h。显然,与无植物对照相比,毛茛明显促进了水
中菲的去除,但其机理尚待分析。
2.3植物对菲的吸收积累
可以推测,水中菲的降解与植物吸收作用有关。
长期以来,人们对PAHs在环境-植物系统中的迁移
作用给予了极大关注[3、4、10]。但迄今相关研究尚主要集
中于植物茎叶对环境空气中PAHs的吸收,而关于植
物从水中吸收PAHs的研究报道则较少见。搞清植物
对水中菲的吸收作用,有助于阐释植物修复机理。
绘制植物的菲含量-时间关系曲线如图 3所示。
0~168h,毛茛的菲含量先快速增加而后趋于降低;0~
48h,植物菲含量由 0增至 117.4mg·kg-1,48~168h
则减为55.4mg·kg-1。本实验结果与李辉等[6]对黑麦草
吸收氟乐灵的实验现象较为相似。一定时间后,植物
中菲含量下降与以下因素有关:
(1)植物生长稀释效应[1、4、6]。如前所述,实验时间
内,毛茛持续生长。
(2)菲在植物体内被部分代谢,并可形成结合残
留。Li等[3]采用同位素示踪技术证实了菲在小麦体内
的代谢作用,发现代谢产物以极性物质为主并与植物
组织相结合。
(3)由于植物吸收、光解、挥发等作用,培养液中
菲浓度下降明显(图 3),根据分配作用原理,这将导
致固相(毛茛)中菲含量降低[1、11]。Li等[11]采用特殊装
置在固定溶液中污染物浓度的条件下,研究黑麦草和
小麦对污染物的吸收作用,发现供试时间内,植物中
林丹等的含量先增加而后趋于稳定,但没有发现植物
中污染物含量下降的现象,表明溶液中污染物的浓度
也是影响其植物吸收的重要因素。
植物富集系数(plantconcentrationfactor,PCF)可
以用来反映供试植物对溶液中菲的富集能力;PCF值
越大,富集作用越强。植物富集系数是植物的污染物
含量(Cpt,mg·kg-1)与水中污染物浓度(Cw,mg·L-1)的
比值(以干重计)[4、6];其计算公式为:
PCF=Cpt/Cw (1)
绘制植物富集系数-时间关系曲线如图 4所示。
0~168h,菲的植物富集系数(PCF)先迅速增大而后趋
于稳定,本实验结果与高彦征等[4、12]对黑麦草吸收菲
和芘的实验现象相吻合。进一步对本文结果与文献中
数据比较,发现相似实验条件下,本实验中植物对菲
的富集系数一般要小于文献中植物对芘等高环PAHs
的富集系数[4、12]。有关植物对有机污染物的富集作用
已有较多报道,诸多研究表明,植物对有机污染物的
凌婉婷等:毛茛对富营养化水中多环芳烃的修复作用及机理1886
第26卷第5期 农 业 环 境 科 学 学 报
富集与其Kow密切相关;一般脂溶性强的污染物(Kow
大)在植物中含量也较高[1、6、7、11、12],富集系数相对较大。
Briggs等[7]提出了不同化合物在大麦根中的富集系数
(RCF)与Kow的经验关系:
logRCF=0.77logKow-1.52
显然,植物对不同PAHs富集的差异与其Kow大
小有关。
2.4植物修复机制
有植物水中菲的去除包括:非生物性损失(如吸
附、光解、挥发等)、微生物降解、植物吸收积累等途
径;无植物对照水中菲的去除则包括以下途径:非生
物性损失、微生物降解。供试实验条件下,由于所有玻
璃器皿外壁均用黑布包裹、植物根系或溶液避光,有
无植物情况下菲光解等非生物性损失的差异应该不
大[1]。另外,供试时间内,无植物灭菌处理的水(溶液中
含0.05%NaN3)中菲的降解与不灭菌处理无显著差
异;表明实验条件下,微生物对水中菲降解的贡献很
小(可以忽略),这可能是由于本水培实验用水为蒸馏
水,供试时间内微生物很难有效地生长繁殖。由此,毛
茛能促进水中菲的去除(图2),应主要归于植物本身
的吸收作用。
计算不同时间下毛茛对菲的积累量如图5。植物
中菲的积累量
Ta=Cpt×Mp
Mp为植物生物量,Cpt为植物的菲含量。绘制植物
对菲的积累量-时间关系曲线如图 5所示。0~168h
内植物对菲的积累量先增大而后减小;48h时,积累
量最大,为49mg·株-1,而后下降,168h时,积累量为
29mg·株-1。一定时间后,植物中菲的积累量下降,这
进一步表明吸收后菲在植物体内存在明显的降解作
用,但其机理尚待研究。
进一步计算了植物积累对其促进水中菲去除的
贡献,见表1。显然,毛茛明显促进了水中菲的去除,
有无毛茛情况下水中菲去除量差异很大 (用 !D表
示),但植物本身积累的菲只占 !D的26%~40%,小
于100%,表明植物对水中菲去除的促进作用并不完
全来自植物积累。事实上,植物吸收后,菲等有机污染
物可在植物体内被部分代谢。Li等[3]证实了菲在植物
(小麦)体内的代谢作用,发现大多数菲在吸收后被植
物进一步代谢,代谢产物以极性物质为主。最近,Wild
等[10]应用双光子激发电镜(Two-photonexcitationmi-
croscopy)手段研究了玉米和小麦对PAHs(菲和蒽)的
吸收作用,发现 21~56d后,植物体内蒽有约 50%被
代谢。另外,如前所述,毛茛对菲的积累量在一定时间
后不断下降(图5),这也佐证了供试植物对菲有显著
的代谢作用。综上可见,毛茛对水中菲去除的促进作
用应主要来自植物本身的积累和代谢作用。
必须指出,在实验条件下,毛茛不仅对富营养化
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水中菲有很好的修复效果,而且可部分去除水中N、P
等富营养化物质。测定了不同时间水中 N、P元素含
量,结果表明:实验时间内(0~168h),毛茛作用下水
中 N元素含量由 67.9mg·L-1下降为 7.09mg·L-1,去
除率达 89.6%;水中 P元素的初始浓度 7.8mg·L-1,
168h后种植毛茛的水中P元素未检测出。可见毛茛
对 N、P等富营养化物质同样具有很好的修复效果,
这给我们启示:我国水富营养化和有机微污染问题非
常普遍而且往往共存,利用水生植物(如毛茛)有望修
复无机(如N、P)-有机(如PAHs)复合污染的水环境。
3 结论
(1)供试植物(毛茛)对水中菲有很好的修复效
果,168h后,水中菲去除率达82%。与无植物对照相
比,毛茛作用下菲的降解速率常数(K)增大96.7%,半
衰期(T1/2)则缩短49.2%。同时,毛茛对水中N、P等富
营养化物质也有很好的修复效果;168h后,N的去除
率达89.6%,P元素则未检测出。
(2)毛茛可吸收水中菲。实验条件下,0~168h,毛
茛的菲含量先快速升高而后趋于降低,48h时菲含量
达到峰值(117.4mg·kg-1)。0~168h,毛茛对水中菲的
富集作用明显,植物富集系数(PCF)先升高而后趋于
稳定。
(3)实验条件下,与无植物对照相比,毛茛对水中
菲去除的促进作用主要来自植物本身的积累和代谢,
而微生物的贡献很小。
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