全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
, , 一
多 环 芳 烃 在 土 壤 中 的 行 为 关
高学晨 姜 霞“ 区自清
中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程开放研究实验室 , 沈阳
摘要 多环芳烃 比 在土壤中达到吸附平衡时存在 ”快 ”和 ”慢 ”两个吸附过程 植物能够从土壤中吸
收低分子量的 凡 并向植物的地上部分迁移转化 , 但 地 在植物体内主要的累积方式是植物地上部
分的空气污染 微生物对 凡 的降解依然是去除 凡 的主要方式 , 主要通过微生物产生的酶的作用
本文详细分析了影响 生物去除的各种因素
关键词 多环芳烃 吸附 生物降解
文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码
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引 育
多环芳烃 是指由两个或两个以上的高温获得的
苯环以直链状 、角状或串状排列组成的化合物 , 是有机物不
完全燃烧或高温裂解的副产品 因此 , 只要燃烧有机质 , 就有
压产生 , 嫩烧温度决定了 的混合组成 居 民供暖 、
焚化 、内燃发动机和工业活动 , 如焦碳生产油的精练 、 铝生
产 、非铁金属的熔炼等是 珑 的主要来源
在环境中的含量虽然微量但分布广泛 , 更由于一
些 地 中除含有致癌和致突变的成分外 , 还含有多种促进
致癌的物质 , 对人体健康产生很大的威胁〔‘“ 由于 为
脂溶性 , 可以通过大气沉降作用经植物叶片进入植物体内或
进人土壤中由植物根吸收 , 并在植物体内迁移 、代谢和积累 ,
进而通过食物链危及健康〔‘礴 另外 , 人们还可 以通过大气 、
水 、吸烟等方式吸收 , 因而 的研究一直受到人们
的关注 , 并对其在土壤 、 水环境中的各种物理 、化学和生物行
为进行了深人的研究 , 」
多环芳短在土坡中的吸附
队陇 在土坡中的吸附是一种土壤与土壤水的分配过
程
,
在吸附过程中 , 土壤表面与 的作用能量主要来 自
两个方面 其作用范围紧靠固体表面的化学力 如共价键 、
疏水键 、氢桥 、空间位阻和定向效应 作用距离较远的静
电和范德华引力 在土壤中的吸附存在两个不同的过
程 ”快 ”和 ”慢 ” 最初的快过程是 珠 快速到达土壤的疏
水表面吸附 接着 迁移到土壤基体中不易到达的部
分 , 这一 ”慢 ”过程持续时间很长 , 一直到土坡有机质的吸附
能力耗尽并达到平衡为止 , 而且这部分的 , 很难被生物
降解和利用 由此可见 , 在土壤和土壤水间的分配程度
是由 和土壤的物理化学性质决定的 如 的水溶
度 、土壤颗粒的大小 、 土壤有机碳的含量 、 和温度等
吸附程度不仅影响 , 在环境中的生物化学行为 , 而
且在诸如挥发 、光解 、 水解和生物降解等环境归趋过程中也
是一个重要因素 沙子吸附的 凡 在接种 后就降解到
了检测线以下 , 而土壤中吸附的 的生物降解出现了明
显的延迟 , 并且在土坡中有残余的不能降解的 凡 , 大约为
最初加人的 因为沙子中有机质含量小于土壤 , 因此
的吸附量和吸附强度小于土壤 , 这样 的降解速
率和降解量相对来说要高一些 吸附态的 是否可以被
微生物利用 , 众说不一 有的研究者认为
, 化学吸附到土壤中
的和结合到土坡中的 无生物有效性 也有的认为 , 即
使菲的吸附达到 时也没有影响菲的矿化山 〕, 因此得出
结论微生物能够直接利用吸附相的菲 , 并且与利用溶解相菲
的速度相同 但大部分的研究仍认为微生物主要是利用水相
中溶解的
综上所述 , 即使 凡 的生物降解具有相同的 、 最适宜
的生长条件如温度 、营养 、 氧气供应和降解 的微生物 ,
, 国家自然科学基金资助项目
, , 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
应 用 生 态 学 报 卷
由于土城类型的不同 , 其降解的程度也不同 这主要 由于不
同类型的土集与 卜卜形成的吸附不同造成的 因此 , 吸附
是影响 卜‘生物降解的重要因素 , 并决定了 凡 在环境
中的命运
多环芳经的生物代谢和降解
动 、植物对多环芳烃的吸收代谢
土壤中 的去除主要通过植物累积和生物降解 在
过去几十年里 科学家们对植物吸收代谢 的研究给予
了极大的关注山
,
, 对环境中存在的 , 进行广泛的监
测 , 并对其在环境中分布进行评述〔‘ 这一方面是由于监测
结果表明生长在城市大路两旁和炼油厂附近土壤中的植物
茎 、叶和根中含有比正常值高几倍甚至几十倍的 凡 , 这些
价 很可能通过食物链对人体健康造成威胁 另一方面植
物对 地 的吸收代谢为它的去除提供了安全 、 有效的方
法 关于 地 对植物生长影响的报道很多 ’
, ’ 特别是苯
并花 , 因其强致癌性 , 早在 世纪 年代以来就一直受到
各国科学工 作者的 密切注 意 但研 究结果 常常不 同 , 如
等 , 指出植物根系可 以吸收土壤中苯并花并将吸
收的一部分转移 、积累到地上部分 中国科学院沈阳应用生
态研究所也在这方面做了大量研究并得出很多重要结论
水稻根系吸收土壤中苯并花后 , 很难将苯并花转移到地上
部分 , 其中少量能转移的在转移过程中也大都被代谢为其它
产物 土壤一植物系统对苯并花的吸收程度与苯并花和土
集顺粒的吸附程度有关 苯并花在水稻体内的分配次序
为 根系 茎叶 皮壳 籽实 另外 , 李书鼎等饰 〕研究认为 ,
植物不同生长期对其吸收 的影响不同 , 如水稻苗期对
苯并花吸收速度快 , 且数量大 , 拔节期间吸收转缓 , 分萦期后
吸收达平衡 献 等 , 采用不同植物做发芽对 比实验 , 证
实高等植物 自身可以合成苯并花 , 并且强调指出苯并花是植
物代谢过程 中产生的一种正 常的生长刺激素物质
,
等 ‘, 研究表明 , 植物的存在明显增加了慈和花在土壤环境
中的去除
有些研究发现植物组织中所含的 施 浓度与土壤中
的含量有关 , 但也有研究认为并不存在这种关系「
因为 卜卜为亲脂性有机污染物 , 强烈地吸附在土坡中的有
机质上而很难进人植物组织中 卜肠 可以分配到植物根或
土壤顺粒中 , 但不会进人植物根的内部和木质部 因为植物
体内的运精以 水为基础 〕, 而 川七 为难溶有机化合物
在植物体内的累积途径主要是从空气进人叶
表面 , 但其从植物叶的外部进人植物叶内部的过程是缓慢
的 , 并且很少通过韧质部进行传输 因此 , 地 很难经由植
物根吸收 , 进而迁移和转化到植物的内部组织中〔‘, 而小
分子 的的 比 亨利 常数 尤 其是 二
、 三 环的
卜可以从污染土壤中挥发出来 并被植物叶吸收 ’ 因
此 , 对于土壤中所含的 类化合物的去除 , 植物根的吸
收和转移并不是有效的去除过程 , 植物地上组织 中含有的
卜肠主要来源于 土壤 中 的挥发 和 空 气 中所含 的
以儿〔’ 在植物组织 中的存在模式与 蒸气相
的模式相似 饥 , 蒸汽相的 陈 与颗粒结合并在蜡制的
叶片 表 皮 上 的保 留 是 植 物 叶 片 吸 收 七 的 主 要 途
径
,
, 川 污泥灌溉导致的土壤中 以 的输入对植物引
起的影响在种植 一 年后得到了明确体现 , 低分子量的
凡 在植物根中的含量是主要的 , 可能是由于它们相对高
的溶解度导致其相对高的生物有效性的原因
由上述研究结果可以看到 , 世纪 一 年代的研究
大多是对土壤和植物中的 凡 浓度进行监测 , 对其检测结
果进行分析 而对检测结果的分析只是简单的认为植物茎叶
中所含的 是由于植物根系迁移转化引起的 , 即使考虑
到植物茎 叶中所含的 凡 是 由于吸收 了空 气中存在 的
卜卜造成的 , 但也不能定量描述这种影响的程度 因此 , 在
研究结论中产生了一些矛盾的观点 近些年来 , 人们对
的研究不仅仅是单独研究其在土壤中或单独研究其在植物
中的含量及迁移转化规律 , 而是设计一些精巧的实验设备来
去除空气中所含的 珑 对植物吸收代谢的影响 , 从而研究
凡 在土壤
一植物系统中的迁移转化规律 如 采
用同位素示踪方法研究了生长在营养液中的开花期和结实
期的矮菜豆对 葱的吸收 、 净化和体内迁移 结果表明 , 葱
的新陈代谢作用大多发生在植物组织中 , 而被植物吸收的葱
的代谢产物多为极性的代谢物和非极性代谢物 结果表明 ,
矮菜豆植物能够从它们根部吸收葱并转移葱及其代谢产物
到其它植物组织器官 的暴露实验结果表明大多数的葱
被代谢 姜霞等 模拟 了 自然条件下的菲在火山
石一植物系统中的迁移转化规律 , 得出了相似的结论
水体中 凡 含量增加也导致水体中脊椎动物和无脊
推动物的反常行为 , 包括癌症和光照 引起的死亡等 因为
地 的溶解性低 , 在进人水体后迅速吸附在水体淤泥中 , 吸
附的 被水底无脊椎动物吸收并同化 从而引起食物链
上 凡 毒性的逐级放大
微生物对多环芳烃的降解
尽管 可以通过化学氧化 、 光解及挥发而被去除 ,
但微生物降解依然是影响 在环境中存留的主要过程
目前已知含有氧化 从苯并花到菲 的酶的微生物很
多 , 而且这项措施近年来也用于污染土壤的生物恢复 各国
科学家分离出许多降解 凡 的纯菌或混合菌 采用从杂酚
油污染土壤中分离的以菲为唯一 源和能源的假单胞菌属
细菌 乃翔由 以侧玫“ 一 和 尸 翻“云召 ,勿叭山
一 进
行二环和三环 陇 的竞争代谢实验
·
川 结果表明 , 蔡 、 卜
甲基蔡和 一 甲基蔡都可以作为这两种细菌生长基质 , 而药只
能协同代谢 另外 , 细菌在以一种芳香烃为生长介质时是可
以同时转化其它的芳香烃化合物 , 而这种复合 凡 的转化
是由细菌细胞酶系统来完成的 同时混合细菌在吸收 、 转化
和代谢 时也存在竞争
但由于 的疏水性使得 的生物降解缓慢 因
此 , 人们开始希望借助于表面活性剂对 地 的增溶作用来
增加其生物有效性
期 高学晨等 多环芳烃在土壤中的行为
生物代谢 、 降解多环芳烃的过程和机理
植物代谢多环芳烃的过程 土壤中的 可 以通
过下列 个步骤被植物吸收 植物根从土壤溶液中吸收
液态运输 并由根运输到茎叶 植物叶吸收从土壤
表面挥发的低分子量的 植物根 茎等被土壤 淤泥
颖粒中的 污染 植物根通过油渠道系统对 卜肠 的
吸收 仅对一些如萝 卜等植物有效的吸收机制
植物吸收代谢 主要与 的物化性质 、所处环
境的条件和植物的种类有关 队比 的物化条件包括亲油性
、
水相溶解度 、蒸气压和亨利常数 环境条件包括温度和土城
有机质含量等 由于 强烈地吸附在土壤有机质中而不
易被植物吸收 , 因此通过植物的叶和根的吸收机制来吸收代
谢 凡 类化合物 , 效率很差一些研究者发现
, 植物根含有
较高浓度的 凡 类化合物 , 尤其是根的外皮 而植物地
上组织中 含量与土壤中 比 的浓度没有很大关系 ,
它们主要是从空气中吸收的
通过陆地环境中植物吸收代谢 的文献总结 , 可以
认为植物对 跳 的吸收速率主要依赖于 的浓度 、溶
解度 、相 蒸汽或颗粒 、分子大小 、植物生长的介质和植物种
类 , 而且 在植物某一部分的累积浓度要高于其它部
分 , 一些 可 以被植物分解 另外 , 在土壤上的强
烈吸附 、 土壤中 浓度的快速降低 如降解山 以及与淤
泥和土坡的结合 如挥发作用的降低 等都会降低植物对
的吸收和代谢
,
微生物降解多环芳烃的机理 微生物降解 一
般采用两种代谢方式 , 以 为唯一 源和 能源和 将
与其它有机质进行共代谢 对于土壤中低分子量的
环以下的 类化合物 , 微生物一般采用第一种代谢方
式 以 这 种 方 式 代 谢 比 的 细 菌 有 气 单 胞 菌 属
仑阳 、芽胞杆菌属 朗议 。 、拜叶林克氏菌属 纭
户自 故
、 棒 状 杆 菌 属 肠 , 功“妙艺“
、 蓝 细 菌 属
〔扣刀汉知改嗽必 、 黄杆菌属仔拓议 露勿 , “ 、 微球菌属
、 分枝杆菌属 例恤砧比妙滋“
、 诺卡式菌属
护 勿 、 假单胞菌属 几姚 溯必哪
、 红球菌属 凡彻改欢农公
和弧菌属 巧扮勿 对于土壤中 环或多环的 凡 一般采
用共代谢的方式
的降解取决于微生物产生加氧酶的能力 这些酶
一般对 有特异性 , 因此常常需要多种微生物来降解
比 微生物的加氧酶有两种 , 即单加氧酶和双加氧酶 微
生物产生的单加氧酶能把一个氧原子加到底物中形成芳烃
化合物 , 继而氧化成为反式双氢乙醇和酚类 细菌主要产生
双加氧酶 , 它把两个氧原子加到底物中形成双氧乙烷 , 进一
步氧化为顺式双氢乙醇 双氢乙醇可继续氧化为儿茶酸 、 原
儿茶酸和龙胆酸等中间代谢物 , 而后苯环断开 , 形成瑰拍酸 、
延胡索酸 、 乙酸 、 丙酮酸和乙醛 所有这些产物都被微生物用
来合成自身的细胞蛋白和能量 , 同时产生 和 氏 卜压
的最初氧化即苯环的加氧是控制 生物降解反应速度
的关键步骤 , 此后降解进程加快 , 没有或很少有中间代谢物
的积累 但据报道 , 中间降解物与其母体化合物 一样
具有致癌性和致突变性
影晌多环芳经生物降解的因素
·
陇 和土壤的固有性质
在环境中的行为大致相同 , 但每一种 的理
化性质各不相同 卜卜 的物理化学性质以及 珑 在土壤
中的行为 , 如水相溶解度 、 辛醇一水分配系数 、 亨利常数等
和 压在土壤中的吸附等都会影响其生物降解 苯环的排
列方式决定了 的稳定性 , 非线形排列较线形排列稳
定 的可溶性随苯环数量的增多而减少 , 挥发性也是随
苯环数量的增多而降低 的苯环数量与其在土壤中的
降解量呈负相关 双环和三环的 在土壤中极易被生物
降解 , 而四环以上的 却很难被生物降解 另外 , 挥发作
用和非生物性损失 沥滤 、水解 、沉淀等 对三环以下的 七
的去除也起一定作用
土壤性质影响降解速率 , 如有机质含量 、物理结构和颗
粒大小〔‘, 通过改善土壤的环境条件可以提高 的
生物降解效果
,
土壤中保持微生物降解活力和达到 凡 降
解的最适条件可以通过加人石灰 、 营养盐类和肥料 , 以及整
理 、棍匀土壤 , 采用强制通风等方法来获得‘ 无机养分
是海岸水中影响 凡 菲生物降解的一个限制性因子 , 在
实验条件下可 以通过加人 来提高菲的降解速度 倍以
上 另外 , 弱氧化剂 也明显增加了菲的降解
接种微生物的影响
微生物影响 生物降解的因素主要有三方面 , 一为
微生物对 代谢方式 二为微生物对 氧化方式
三为微生物的驯化和适应
微生物对 的代谢有两个方式 以 为唯一
的碳源和能源 把 与其它有机质的协同代谢 对于
土壤中分子量较低 、环数低 环 的 凡 , 微生物一般采
用以其为唯一 源和能源的方式进行代谢 而对分子量大 ,
环数多 妻 环 的 , 微生物一般采用协同代谢的方式
进行代谢 苯环的降解还取决于微生物产生加氧酶的
能力 , 这些酶对 有特异性 , 因此需要多种微生物来降
解 竞争微生物的利用可以促进 凡 在土壤中的降
解 另外 , 研究者常把对某区域适应力特强的微生物种类培
养驯化后 , 再将其引人受同类 污染的 区域 , 以增加
凡 的去除
环境因素对 生物有效性的影响
温度 、 和土壤的通气情况等都能够影响 的降
解速度 而有毒污染物的存在如重金属等可能抑制微生物的
降解 另外 , 的生物有效性【川 与其在土壤中的停留时
间成反比 在土壤中滞留通常认为是由于其分配进人
土壤颖粒的有机质中或者进人土壤微孔隙分子中 , 而土壤有
机质成分影响了 如菲的生物有效性和萃取 自然环境
下的干湿交替过程增加 以凡 在土壤中的吸附 , 从而降
低了 菲的提取性和生物有效性 土壤 对 以凡 降
应 用 生 态 学 报 卷
解也有影响 , 当 时 , 菲的降解受到抑制作用
表面活性剂的影响 “
由于表面活性剂对 有解吸和增溶作用 , 从而使溶
解态 卜肠增多 , 这可能会促进 以凡 的生物降解
,
结 语
土壤中难溶有机化合物的生物去除 , 特别是 卜坛生物
去除是全球环境工作者的共同难题 结构的特殊性及
其很低的溶解度限制了它被植物吸收和微生物降解 但是广
泛存在于各种环境介质中的 很容易通过沉降作用经
由植物的茎叶进人植物体内 , 进而通过食物链影响动物和人
类的健康 另外 , 人类还会通过呼吸作用吸收 , 并在人
类体内累积 , 对人类的健康产生潜在危害 因此 , 详细了解
卜在土壤中的行为及其生物去除的途径和机理 , 了解影
响 生物去除的各种因素 , 为 凡 生物去除提供较详
尽的理论依据是十分必要的
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作者简介 姜 霞 , 女 , 年 , 博士 , 从事复合污染生态学
方面的研究 , 已发表论文数篇 一