全 文 ：西北林学院学报 2011 , 26(1):52 ～ 55
Journal o f No r thw est Fo restry Univer sity
栾树对土壤多环芳烃修复机制初探
收稿日期:2009-12-10 修回日期:2010-10-23
基金项目:国家自然科学基金(3107041011 , 30571487 , 30771700 , 30870455);国家林业局“ 948”项目(2008-4-36 , 2007-4-19);湖南省科
技厅重点项目(06FJ3083 、05NK3026);湖南省杰出青年基金项目(07J J1004);中南林业科技大学青年科学研究基金
(2008003A , 07024B)。
作者简介:朱凡 ,女 ,副教授 ,博士 ,主要从事森林生态学研究。 E-m ail:f orest ranger33@hotmail.com
朱 凡 ,田大伦 ,闫文德 ,梁小翠 ,王光军
(中南林业科技大学 生态教研室 , 湖南 长沙 410004)
摘 要:多环芳烃(PAHs)是一类广泛存在于环境中的有机污染物 , 由于其致癌性和致突变性而受
到广泛关注 。采用盆栽实验 ,研究了栾树在 3种污染水平下对土壤中 PAHs的去除效果与修复机
制。结果表明:在试验浓度范围内(7.35 ～ 46.23 mg ·kg-1),种植栾树 1 a 后 , PAHs降解率为
60.69%～ 75.14%;比对照(无植物处理)PAHs降解率平均提高了 22.96%,且以 L2污染水平下
降解率最大 。栾树能够在一定程度上吸收与累积土壤中 PAHs ,且累积量与土壤 PAHs的添加浓
度呈正相关 ,根部 PAHs累积量大于干叶部 。修复机制反映出植物-微生物间的交互作用 、微生
物降解是修复土壤 PAHs的主要途径 。
关键词:多环芳烃;修复;栾树
中图分类号:S792 文献标志码:A 文章编号:1001-7461(2011)01-0052-04
Phy toremediation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Contaminated
Soils by Koelreuter ia bi pinnata
ZHU Fan , TIAN Da-lun , YANWen-de , LIANG Xiao-chui , WANG Guang-jun
(Research S ection o f Eco logy , Central South Universi ty o f F orest ry & Technolog y , Changsha , Hunan 410004 , Ch ina)
Abstract:Poly cyclic aromat ic hydrocarbons(PAHs)are a g roup o f o rganic po llutants w hich exist in the en-
vi ronments chronically .They are of part icular concern because some are po tent to xins o r carcinogenics.In
this study , pot experiments w ere carried out to investigate the mechanisms of the removal and accumula-
tion o f PAHs in soil by Koelreuteria bipinnata.The results show ed that the plantat can signif icant ly re-
move PAHs from soil at their initial contaminated levels.The contents of PA Hs w ere lowe r in planted soil
than in non-planted soil af ter 12months.K .bipinnata show ed abili ty to accumula te PAHs from the soi l.
The contents of PAHs in its roo t and shoots increased w ith the increase of PA Hs concentration in the soi l.
The bioconcentation facto rs(BCFs)in shoots w ere much lowe r than those in ro ots.Thus plant-microbial
interactions and microbial degradat ion are the main mechanisms for the remediation of soil PAHs pollu-
tion.
Key words:PAHs;phy toremediation;Koelreuteria bip innata
多环芳烃(Poly cyclic Aromatic Hydrocarbons ,
PAHs)化合物是普遍存在于环境中的持久性有机
污染物 ,主要来源于石油化工 、燃煤等人类活动中有
机物的不完全燃烧[ 1] ,环境含量逐年上升[ 2] ,且土壤
中的 PAHs能通过食物链 ,对人体和其它生物的健
康造成危害 。因此如何消除土壤等环境介质中的
PAHs引起了世界各国的广泛关注。
消除土壤等环境介质中的 PAHs有物理 、化学
和生物方法 ,生物方法包括微生物降解和植物修复。
已有很多研究揭示了利用植物消除环境介质中的
PAHs[ 3-5] ,但目前大部分研究选用的材料多以农作
物和草本为主 ,如玉米[ 6] 、黑麦草[ 7] 、沿阶草[ 8] 等。
本研究选用南方常见的城市绿化树种 —栾树
(Koelreuteria bipinnata),采用盆栽试验方法 ,人工
配制土壤 PAHs 污染的 3个梯度水平(L1
PAHs污染修复作用 ,估算了植物吸收积累 、微生物
降解以及 PAHs 在土壤中的残留程度 ,以期为进一
步研究持久性有机污染物植物修复提供理论数据 。
1 材料与方法
1.1 实验地概况
试验地设在湖南省长沙市中南林业科技大学城
市生态站内 ,年平均气温 16.8 ℃, 极端最高气温
40.6 ℃, 最低气温 -12 ℃, 年平均降水量1 400
mm 。无霜期为 270 ～ 300 d ,日照时数年均1 677.1
h ,属典型的亚热带湿润季风气候 。实验设在面积
为 22 m×6 m 的不锈钢框架结构的温室内 。
1.2 栽培实验
试验土壤为湖南省株洲市夕阳红苗圃园土壤 ,
理化性质:pH 值 4.84 ,含水率 22%,有机碳 17.21
g ·kg -1 ,全氮 1.33 g ·kg-1 。土壤自然风干 ,过 5
mm 筛 ,待用 。
试验采用栾树 1 a 生实生苗 ,来源于长沙黄兴
镇苗木基地。
供试污染物:EPA-PAHs ,用市售 0 号柴油代
替。因为多环芳烃在柴油中比例占 18%～ 20%,且
这一供试品的选择出现在国内外研究中[ 9-10] 。
将风干过筛后的试验土壤 ,利用柴油进行 3 个
PAHs污染水平处理:低浓度处理(L1)2 g ·kg -1 、
中浓度处理(L2)10 g ·kg-1 、高浓度处理(L3)50 g
·kg-1 ,土油充分拌匀后 ,薄层平铺置于露天环境 ,
使得土壤充分吸附柴油 ,保证试验期间污染物含量
的稳定性 。48 h 后分装到圆形塑料盆(Υ40 cm ×
H25 cm)中 ,每盆装 12 kg 污染土 ,装土前 ,盆钵底
部圆孔铺一层落叶 ,以防止浇灌时水分渗透时造成
水溶性 PAHs流失 。然后移栽生长发育良好且大
小较一致的苗木 ,每个污染水平重复 3株苗木 ,同时
设置在 3个 PAHs污染水平下不种植树种的处理 ,
重复 3次 。实验历时 1 a ,实验期间盆栽放置在温室
中培育 ,随意摆放 ,每月将盆栽位置随机移动一次 ,
尽量使每盆植物的微环境保持一致 ,室内温度因开
窗对流基本与环境温度保持一致 ,平时用自来水浇
灌 ,保持所有供试苗木盆内土壤田间持水量在 50%
左右 。
1.3 样品采集 、前处理与测定
1.3.1 土壤 、植物样品的采集与制备 植物种植
1 a后整株采样 ,根 、茎 、叶分离 ,用蒸馏水洗净 ,在室
内风干后 ,研磨过 2 mm 筛 ,于 4℃下低温保存 ,待
分析;盆中土壤充分混匀后 ,四分法采集 ,风干后过
2 mm 筛 ,备用 ,于 4℃下低温保存 ,待分析 。
1.3.2 土壤和植物样品的 PAHs的提取和净化
取 5 g 制备好的土壤/植物样品于聚乙烯杯中 ,加入
50 mL 甲醇后 ,震荡 5 min ,超声 2 min , 4 000 r ·
min离心 25 min ,取上清液过 0.45 μm 孔径聚丙烯
纤维滤膜 ,按 1∶9 加入超纯水稀释 , 将稀释液过
SPE萃取柱 , 10 mL 乙腈洗脱 ,取 1 mL 洗脱液过
0.45 μm孔径滤膜后 HPLC分析。
1.3.3 PAH s测定方法与质量控制 Ag ilent -
1100HPLC , DAD和 FLD检测器 ,流动相为乙腈-
超纯水 ,流速为 1 mL·min-1 ,柱温 25℃,进样量为
1 μL 。16种 PAHs的方法回收率为 76%～ 101%。
1.4 数据处理
数据用 SPSS14.0 统计分析 ,用 sigmaplo t10.0
作图。
2 结果与分析
2.1 栾树对土壤中 PAHs的降解作用
3个污染水平 1 a后土壤中 PAHs含量均发生
了极显著变化(p<0.01),且在 L2和 L3 水平栽培
植物与无植物处理间土壤 PAHs含量呈显著差异
(p<0.05)。在栽培植物处理下 , PAHs 降解率在
L1 、L2 、L3 污染水平下依次为 69.42%、75.14%、
60.69%;无植物处理下 , PAHs 降解率在 L1 、L2 、
L3污染水平下依次为 49.78%、51.65%、34.95%,
平均降解率比栽培植物处理低 22.96%,这充分体
现植物修复的效应 。2 种处理条件下 , L2水平的
PAHs降解率均最大 , Boethling[ 11] 等的研究也表
明 ,低浓度的污染物发生的生物降解速率会低于高
浓度的生物降解速率 ,这是因为 PAHs可以做为碳
源供微生物生长利用 ,当基质浓度低时 ,所供能量只
能满足微生物的生存 ,不能用于微生物的生长和繁
殖 ,但是污染浓度超过阀值时 ,就会抑制微生物的
生长。
2.2 栾树对土壤中 PAHs的累积作用
图 2所示 , 1 a 后栾树体内 PAHs 的积累浓度
随着土壤 PAHs污染水平的增高而增加 ,且植物体
内不同部位 , PAHs的积累浓度也不一样 ,即根>叶
>干。统计分析表明:植物体内 PAHs的积累浓度
在不同污染水平下差异极显著 ,在 L3污染水平下 ,
根 、叶 、干中 PAHs的积累浓度差异极显著。在 L2
水平下根 、叶 、干中 PAH s的积累浓度差异显著 ,在
53第 1 期 朱 凡 等 栾树对土壤多环芳烃修复机制初探
L3水平下根 、叶 、干中 PAHs 的积累浓度呈极显
著 ,这表明 PAHs能够在植物体内迁移。
图 1 2种处理条件各个污染水平下
1 a后土壤 PAH s 的含量
Fig.1 PAH s concent ration in soil w ith planted and unp lan ted
K.bip innata af ter 12 mon th s u nder three contaminated levels
图 2 在不同污染水平下木本植物干 、
叶 、根中 PAHs 的含量
Fig.2 PAH s concent ration in the s tems , leaves and st ruk s of
t rees under dif ferent PAH s contaminated levels
2.3 栾树对 PAHs的生物浓缩系数
生物浓缩系数(BCFs)是指生物体内污染物累
积浓度与其生长环境介质中污染物残留浓度的比
值 ,常用于评价或衡量生物体对某一污染物的修复
或富集能力研究[ 12] 。分析栾树富集 PAHs 能力得
出 ,根部 BCFs按 PAHs 污染水平(由小到大)依次
为 0.25 , 0.51 , 0.32;干叶部 BCFs 依次为 0.21 ,
0.34 ,0.12;时刻可见根部的 BCFs均大于干叶部 ,
说明根部是栾树富集 PAHs的主要部位。
3 讨论
研究结果显示 ,在种植栾树的 1 a 生长期中 ,土
壤 PAHs去除率达到了 60.69%～ 75.14%,与同类
研究结果相比差异不大 ,如 Pradhan 等(1998)用 3
种草本植物苜蓿 、柳枝稷 、蓝茎草修复 16PAHs污
染土壤 ,6 个月后 , PAH 的总浓度下降了 57%[ 13] 。
Liste等[ 14] 用盆栽试验研究夏豌豆和白芥菜修复长
期受石油污染的土壤 , 95 d后非根际土壤中 16种
优先控制的 PAHs去除率为 59%,根际土壤中去除
率为 71%。可见利用木本植物修复有机污染物的
潜力巨大。
土壤中 PAHs 的去除包括渗滤 、非生物损失
(挥发 、光解)、微生物降解 、植物吸收积累等途径。
而渗透和非生物损失在 PAHs去除中只占极小部
分 ,Reilley[ 15] 等报道 , 检测不到盆钵渗滤液中的
PAHs和有无植物土壤中 PAHs 的非生物损失没
有显著差异;Trapp[ 16] 等报道 ,植物代谢的 PAHs
量并不高。本研究中(表 1)发现没有种植物处理的
土壤 PAHs残留量为 54.53%,种植植物的处理中 ,
除去植物直接吸收 17.49%的 PAHs ,土壤中 PAHs
残留量为 31.58%, 这表明土壤中微生物是去除
PAHs的一条有效途径 。许多研究也表明[ 17] 了土
壤中白腐菌属产生的酶类如木素过氧化物酶 、锰过
氧化物酶 、漆酶等能有效降解 PAHs。Field 等[ 18]
分离出 8 株白腐真菌具有降解 PAHs的效果 ,其中
B jerkandera sp.菌株 BOS55对蒽及苯并芘有很好
的降解效果 ,28 d 后蒽去除率达 99.2%,苯并芘去
除率达 83.1%。植物的存在对土壤 PAHs的修复
效果要优于不种植物 ,这是因为植物释放的根际分
泌物和酶能促进根际微生物的活性和生物转化作
用 。Yi等证实 ,在芹菜 、萝卜 、马铃薯等植物修复
表 1 栾树对土壤 PAHs 修复的贡献
Table 1 C on t rib ution of K .bipinnata t o the removal of PAHs in soil
污染水平 土壤 PAH s初始含量/(mg· kg -1)
栽培植物的处理
植物积累量
/(m g· kg -1)
所占比例
/ %
土壤残留量
/(mg· kg -1)
所占比例
/ %
无植物的处理
土壤残留量
/(mg· k g -1)
所占比例
/ %
L1 7.35 1.03 14.03 2.25 30.57 3.69 50.20
L2 15.65 3.34 21.33 3.89 24.86 7.57 48.35
L3 46.23 7.91 17.11 18.18 39.31 30.07 65.05
平均 17.49 31.58 54.53
芘 、苯并芘时 ,植物根系分泌的亚油酸在促进 PAHs
去除过程中起主要作用[ 1 9] 。Rugh认为植物可通过
增强微生物活性 、扩大根系微生物区系的活动范围
来促进菲的去除[ 20] 。本研究也通过 2 种处理间
PAHs降解率的差异量证实了这一点 。
栾树的根 、干叶部的 BCFs随着土壤 PAHs的
增高表现出先增加后降低 ,这是由于 PAHs为非极
性物质 ,植物组织中高脂肪促进了 PAHs在植物体
54 西北林学院学报 26 卷
内积累 ,但植物富集 PAHs达到一定量时 ,会对植
物体产生毒害效应[ 21] ,影响根部正常吸收功能 ,这
就导致植物在 3个污染水平下并不能成倍地积累
PAHs 。另外 ,栾树的根部积累 PAHs的量均大于
干 、叶部 ,这是由于 PAHs的 Kow(有机化合物的正
辛醇-水分配系数)较大 ,脂溶性强 ,在根向茎叶传
输 PAHs的过程中 ,大量的 PAHs不断分配于植物
组织特别是脂肪中去 ,导致植物对 PAHs的传导作
用减弱。
栾树作为南方城市普遍使用的绿化树种 ,同时
兼具修复有机污染物的功能 ,那么能够很好地为创
造良好的城市环境服务。
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