全 文 ：污染土壤中多环芳烃生物降解
的调控研究*
孙铁珩 宋玉芳 许华夏 王鸿雁1)
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
摘要 选用温度、湿度、表面活性剂 T W80 和 C N P 比 4 个因素为调控因子 ,采用
正交法进行周期为 150 天的实验研究. 结果表明, 30 天后, 土壤中 PAHs 的降解率可达
44. 5~ 74. 6% , 60 天后, 达 70. 4~ 93. 7% ,降解率的不同与调控条件显著相关. 在此期间,
降解最佳条件为 40 ! ,湿度 25% , C N P 比为 120 10 1, TW80 分别为 200~ 500mg
∀kg- 1. 实验结束时,土壤中 PAHs 的降解率达 91. 2~ 99. 8% . 降解的最佳条件是 40 ! , 湿
度 15% .经 R 值判别表明,不同时期各因子对 PAHs 降解影响有所不同. 温度对 PAHs 降
解影响较大,表面活性剂对土壤中 PAHs 的生物降解有调控作用.
关键词 土壤污染 多环芳烃 生物降解 表面活性剂
Regulation of polycyclic aromatic hydrocarbons biodegradation in contaminated soil. Sun
T ieheng, Song Yufang , Xu Huax ia and Wang Hongyan ( I nstitute of App lied Ecology , A
cademia Sinica, Shenyang 110015) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 1998, 9(6) : 640~ 644.
Using temperature, moisture, surfactant TW80 and C N P ratio as regulation factors, the
biodeg radation of ploycyclic aromatic hydrocarbons ( PAHs) was carr ied out w ith an experimen
tal per iod of 150 days. T he results indicate that the degr adation r ate of PAHs reached 44. 5~
74. 6% and 70. 4~ 93. 7% after 30 and 60 days, respectively . The optimum conditions fo r
degradation during these per iods w ere: temperature 40! , moisture 25% , C N P ratio 120
10 1, and T W80 concentration 200~ 500mg∀kg- 1 . A t the end of this experiment, the
degradation rate of PAHs w as up to 91. 2~ 99. 8% , with an optimum condition of temperature
40 ! , and moisture 15% . T he discrimination of R value indicates that the influence of the four
regulation factors on the degradation rate of PAHs varied w ith time. Temperature had a signifi
cant influence on the degr adation of PAHs, and surfactants had a regulating role on the
biodeg radation of PAHs in soil.
Key words Soil po llution, Polycyclic aromat ic hydrocarbons, Biodegradation, Surfactant.
1) 辽宁大学实习生.
* 国家自然科学基金资助项目( 39470149) .
1998- 05- 06收稿, 1998- 09- 30接受.
1 引 言
多环芳烃是一类普遍存在于环境中的
优先有毒有机污染物, 在环境中的持久性
很强,危害性较大[ 3] .由于 PAHs的水溶性
极小,它们在土壤中的降解和生物可利用
性受到严重限制.研究表明,土壤中的微生
物可以将 PAHs 作为碳源和能源加以利
用,从而达到降解的目的.有关的研究已有
报道[ 4] .表面活性剂具有增加疏水性有机
污染物在水相中的溶解度和在水中的扩散
等作用.近年来, 有关表面活性剂对多环芳
烃生物可利用性比较, 表面活性剂的微生
物毒性效应, 表面活性剂对土壤多环芳烃
的吸附、解吸行为影响等研究较多[ 5, 6] .本
文通过室内模拟实验, 以温度、湿度、表面
活性剂 TW80和 C N P 比 4个因素为
应 用 生 态 学 报 1998 年 12 月 第 9 卷 第 6 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 1998, 9( 6)#640~ 644
调控因子,采用正交实验的方法,对土壤中
多环芳烃的生物降解进行调控研究, 其目
的是探求难降解有机污染物加速降解的条
件,为土壤清洁技术最佳条件的选择提供
科学依据.
2 材料与方法
2. 1 供试化学品
2. 1. 1 重柴油 采自抚顺石油二厂. 经 HPLC 分
析,其中含有属于美国 EPA 黑名单中的 24 环多
环芳烃组分 8 种, 分别为萘、艹厄稀、芴、菲、萤蒽、
芘、苯 ( a)蒽和艹屈, 含量为 0. 8% , 初始总浓度为
514. 9mg∀kg- 1 .
2. 1. 2 表面活性剂TW80 分析纯, 纯度大于
90% .
2. 1. 3 多环芳烃混合标准品 美国国家标准局
NBM SRM 1647C 混合标准样.
2. 1. 4 供试土壤 采自中国科学院沈阳生态站 0
~ 20cm 表层草甸棕壤 (简称生态站土壤, 以下
同) .
2. 2 方法与实验设计
2. 2. 1 土壤中多环芳烃分析 取 1g 经研磨过
1mm 筛土壤于 25ml玻璃离心管中, 加入 20ml二
氯甲烷提取液于超声水浴中超声提取, 将提取液
离心分离并转移到凯氏瓶中, 氮气吹干至 1ml,经
硅胶柱净化处理, 收集的洗脱液再以氮气吹干,
甲醇定容H PLC 测定[ 2] .
2. 2. 2 实验设计 多环芳烃 ( PAHs)污染土壤的
生物降解调控正交实验(表 1 和表 2) . 采用 L 934
正交实验法[ 1] . 取1000g 过2mm 筛的生态站表层
土壤,加入 70g 柴油,混均, 放置过夜,按照正交设
计表加入一定量的各组分后, 装入插有玻璃管的
50ml烧杯中,用滴管加水至所需的含水量为止,
用医用白纱布盖好, 放入温度为 20 ! 、30 ! 和
40 ! 的事先经过杀菌( 25% 高锰酸钾甲醛液)处
理的恒温培养箱中培养, 每天定期观测水分含
量,并加以补充, 保持含水量在一定范围内. 同
时,将同一污染浓度的土壤中, 加入 0. 5% 的二氯
化汞水溶液,含水量调节至 25% ,在 30 ! 恒温培
养做灭菌对照,其它步骤同上.
表 1 L9 34 实验设计
Table 1 Experimental design of L93
4
水平
Level
温度
T emperature
( ! )
湿度
Moisture
( % )
T ween80
( mg∀kg- 1) CN P
1 20 15 0 120 10 1
2 30 25 200 100 10 1
3 40 35 500 0
表 2 调控因子 L9 34 实验
Table 2 L9 3
4 experiments of control factors
水平
Level
温度
T emperature
( ! )
湿度
Moisture
( % )
T ween80
(mg∀kg- 1) CN P
1 20 40 200 120 10 1
2 30 15 0 120 10 1
3 40 25 500 120 10 1
4 20 25 0 100 10 1
5 30 40 500 100 10 1
6 40 15 200 100 10 1
7 20 15 500 自然 Natural
8 30 25 200 自然 Natural
9 40 40 0 自然 Natural
3 结果与讨论
3. 1 30天培养后土壤 PAHs生物降解的
动态变化
由表 3 可见, 在培养 30天后,土壤中
多环芳烃出现了明显降解. 其降解率按 8
种多环芳烃总量计算在 44. 5%以上. 因调
控条件不同, 各样品中多环芳烃的降解率
不同.根据正交实验对最佳条件选择的直
接比较方法, C8 处理条件最佳, 样品中
PAHs的总降解率在 9 个设计中最高, 为
74. 6% .其次是 C9 和 C3 样品, PAHs的总
降解率分别达 72. 1%和 69. 1% .土壤中的
萘在 30天后全部消失. 与灭菌对照相比,
说明萘的丢失主要是一种物理过程.土壤
中其它多环芳烃的降解受温度影响较大,
多数表现为降解率随温度增高而增大,但
是苯( a)蒽和艹屈的降解率随温度增高而减
小,表明结构与降解调控因素间的关系.与
灭菌对照相比表明, 土壤微生物对多环芳
烃的降解起明显作用.
为了找出最佳条件, 并能对降解起重
要作用的影响因子作粗略估计, 对正交实
6416 期 孙铁珩等:污染土壤中多环芳烃生物降解的调控研究
表 3 培养 30天后土壤中 PAHs
Table 3 PAHs in soil after 30 days incubation(mg∀kg- 1)
处理样品
T reatment
NAP AC/ FLU PHE AN PY B( a) A/ CHY 多环芳烃总量
Total PAHs
降解率
Degradat ion
rate ( % )
C0 37. 2 106. 4 303. 8 15. 2 33. 1 19. 2 514. 9
C1 0 71. 5 162. 8 7. 2 11. 6 1. 8 254. 9 50. 5
C2 0 87. 1 155. 3 9. 4 14. 9 3. 5 270. 2 47. 5
C3 0 45. 8 90. 9 5. 7 12. 5 4. 0 159. 0 69. 1
C4 0 60. 0 123. 7 5. 9 11. 3 3. 6 204. 5 60. 3
C5 0 73. 3 182. 5 5. 8 17. 2 3. 8 282. 6 45. 1
C6 0 39. 1 135. 7 4. 5 6. 2 4. 3 189. 8 63. 1
C7 0 74. 5 178. 0 10. 3 19. 1 3. 9 285. 8 44. 5
C8 0 29. 9 74. 3 3. 2 12. 5 10. 8 130. 7 74. 6
C9 0 26. 4 94. 8 4. 9 11. 0 6. 5 143. 6 72. 1
灭菌 Sterilizat ion 6. 3 52. 7 247. 9 15. 2 20. 7 19. 2 362. 0 29. 7
* C0 为初始浓度, C1 ~ C9 分别为正交实验 1~ 9号样品. NAP:萘, AC:艹厄稀, FLU: 芴, PHE:菲, AN:蒽, FA:萤蒽,
PY:芘, BA:苯并萤蒽, CHY:艹屈.下同 The same below .
验的数据进行简单的 R 值判别计算. 通
常, R 值大的因素是重要因素, 而 R 值小
的因素是次要因素. 表 4中温度的 R值最
大,为 49,说明在本实验中, 温度对土壤多
环芳烃的降解起主导作用. 适宜的温度有
利于微生物的生长和活性的提高, 可以提
高 PAHs 的生物降解率. 湿度的 R 值为
36. 3.这一结果说明,适合的湿度也是保证
微生物快速生长和繁殖的必要条件. 表面
活性剂和 CN P 比的 R值分别是 30和
24. 1,在 4种调控因素中居相对次要位置,
表明在此期间养分调解对草甸棕壤中
PAHs的降解影响不大, 表面活性剂的增
溶、分散等作用,对土壤多环芳烃降解也不
是最主要因素. 经对 4因子、3位级、9个处
理样品进行计算, 找出 PAHs 降解率最大
一组的最佳条件(表 4) .
表 4 培养 30天后 PAH生物降解R值和最佳降解条件
Table 4 R value for biodegradation of PAHs in soil and
the optium condition of degradation after 30 days incuba
tion
因素
Factor
温度
Temperature
( ! )
湿度
Moisture
( % )
CN P T ween80
( mg∀kg- 1)
R 49 36. 3 24. 1 30. 0
级别 Level 1 2 4 3
最佳条件1) 40 25 120 10 1 200
1) Opt imum condit ion.下同 Th e same below .
3. 2 60天培养土壤 PAHs生物降解的动
态变化
由表 5 可知, 与 30天培养结果相比,
土壤中 PAHs的量均有减少,按 8种 PAHs
总量计算,平均降解率为 83% , 比 30 天后
的结果提高 33% , 即后 30 天的净降解率
为 33% ,很明显, 降解速度比实验初期有
所下降. 直接比较各实验结果, C9 处理的
降解率最高, 为 93. 7%, 其次是 C8 和 C3
处理,均为 91. 6% . 这 3个处理的实验条
件分别是: C9温度 40 ! ,湿度 40%, C N
P 比为自然值; C8温度 40 ! , 湿度
25%,表面活性剂 200mg∀kg- 1,养分配比
自然, C3温度 40 ! , 湿度 25% , 表面活性
剂 500mg∀kg- 1, C N P比 120101.
值得提出的是, 土壤中被检出的 PAHs组
分发生了一些值得注意的变化. 例如,在所
有样品中均有萤蒽被检出, 且含量较高.由
于原始样品中均没有检出萤蒽组分,说明
它产生于降解过程中;苯 ( a)蒽/艹屈的量有
明显增加,显然在降解过程中有新的苯( a)
蒽/艹屈生成.由于萤蒽、苯( a)蒽/艹屈降解率
的负增长,而 PAHs总的降解率仍比 30天
培养的结果显著提高, 不难看出, 表 5中
PAHs总降解率的提高主要来自于分子量
小的 PAHs. 根据表 5 结果, 进行 R 值判
别,以确定这一时期影响 PAHs降解的主
要调控因素. 由表6可见 , 温度的R值最
642 应 用 生 态 学 报 9 卷
表 5 培养 60天后土壤中 PAHs
Table 5 PAHs in soil after 60 days incubation(mg∀kg- 1)
处 理
T reatment
NAP AC/ FLU PHE AN FA PY B( a) A/
CHY
PAHs总量
T otal PAHs
降解率
Degradat ion
rate(% )
C0 37. 2 106. 4 303. 8 15. 2 0 33. 1 19. 2 514. 9
C1 0 25. 8 74. 3 6. 5 12. 4 3. 89 7. 6 130. 5 74. 7
C2 0 25. 37 90. 04 6. 91 1. 60 5. 46 7. 43 136. 8 73. 3
C3 0 2. 97 25. 3 3. 26 5. 34 1. 65 4. 60 43. 1 91. 6
C4 0 30. 2 90. 7 6. 91 13. 1 4. 35 7. 02 152. 4 70. 4
C5 0 17. 3 49. 2 5. 71 10. 1 2. 7 6. 4 91. 44 82. 2
C6 0 6. 70 42. 8 3. 87 6. 82 2. 7 5. 64 68. 43 86. 7
C7 0 13. 0 31. 6 6. 34 19. 3 3. 0 8. 30 81. 6 84. 2
C8 0 8. 57 15. 0 3. 05 9. 53 1. 71 5. 41 43. 3 91. 6
C9 0 5. 19 21. 3 3. 23 2. 77 0 0 32. 5 93. 7
大为 42. 7,仍然是对土壤多环芳烃降解起
主导作用.与实验初期相比,养分对土壤多
环芳烃降解的作用显著增强. R值为30. 2,
排在第二位. 表面活性剂的 R 值为20. 6,
其调控作用仍处在相对次要位置上. 湿度
的R值最小.这一排列说明各因子对降解
调控作用的变化.进一步比较降解率,找出
最佳条件(表 6) . 与表 4比较, 两者的实验
条件基本吻合.
表 6 60天后 PAHs生物降解R 值和最佳降解条件
Table 6 R values for biodegradation of PAHs in soil and
the optimum condition of degradation after 60 days incu
bation
因素
Factor
温度
Temperature
( ! )
湿度
Moisture
( % )
CN P T ween80
( mg∀kg- 1)
R 42. 7 6. 4 30. 2 20. 6
级别 Level 1 4 2 3
最佳条件1) 40 25 120 10 1 500
3. 3 150 天培养土壤 PAHs生物降解的
动态变化
由表 7可见,除 C1 和 C5外,其它 7个
处理的 PAHs总降解率均在 97%以上,比
60天的结果平均提高 14%, 即实验 90天
的净降解率为 14% .这一结果表明在整个
实验过程中, PAHs降解速率开始快,以后
逐渐放慢,最终达到平衡状态的过程.这主
要是因为各时期降解作用的机制不同所
致.实验开始阶段,主要的降解机制是包括
有物理和化学作用伴随的生物过程,共同
作用的结果导致 PAHs 降解迅速, 随着反
应的进行,物理和化学过程的作用逐渐减
小,生物降解继续起主导作用,作用的总强
度显然比实验初期大大减少,其结果使降
解速度变慢. 对表 6 结果进行 R 值判别
(表 8)表明, 湿度的 R 值为 15. 3, 居第一
位,温度的 R值为 9. 9, 居第二位, 这一变
化反映了微生物在不同时期对环境调控因
素需求不同的特点, 可为PAHs的生物降表 7 150天后土壤中 PAHs
Table 7 PAHs in soil after 150 days incubation(mg∀kg- 1)
处 理
T reatment
NAP AC/ FLU PHE AN FA PY B( a) A/
CHY
PAHs总量
T otal PAHs
降解率
Degradat ion
rate(% )
C0 37. 2 106. 4 303. 8 15. 2 0 33. 1 19. 2 514. 9
C1 0 24. 4 13. 4 3. 09 1. 96 1. 51 1. 13 45. 2 91. 2
C2 0 1. 75 3. 45 0. 60 0. 46 2. 44 0. 81 9. 51 98. 2
C3 0 0. 472 0. 092 0. 06 0. 16 0. 15 0. 063 1. 03 99. 8
C4 0 6. 14 4. 84 1. 04 1. 19 0. 81 0. 73 14. 78 97. 1
C5 0 20. 9 18. 5 2. 75 0 0. 78 1. 12 44. 08 91. 4
C6 0 0. 70 0. 23 0. 14 0. 12 0. 29 0. 044 1. 53 99. 7
C7 0 0 0. 29 0. 15 0. 61 0. 57 0. 28 1. 90 99. 6
C8 0 4. 5 6. 17 1. 19 1. 39 1. 15 0. 72 15. 2 97. 0
C9 0 2. 66 2. 42 0. 74 1. 67 1. 32 0. 86 9. 67 98. 1
6436 期 孙铁珩等:污染土壤中多环芳烃生物降解的调控研究
表 8 培养 150天后 PAH降解的 R 值和最佳降解条件
Table 8 R value and the optium condition for biodegrada
tion of PAHs after 150 days incubation
因素
Factor
温度
Temperature
( ! )
湿度
Moisture
( % )
CN P T ween80
( mg∀kg- 1)
R 9. 9 15. 3 7. 6 4. 4
级别 Level 2 1 3 4
最佳条件1) 40 15 自然 Natural 0
解调控起参考和提示作用. 从表 8 算出的
降解最佳条件发现, 与表 4和表 6相比,除
温度条件不变外, 其它条件差别很大. 为
此,可以推测,在实验前期,适宜的湿度、一
定的养分和表面活性剂, 可为土壤微生物
提供一个能增加其活性土壤环境, 从而加
快 PAHs 降解的速率, 缩短高浓度 PAHs
在土壤中暴露的时间.在实验中后期,由于
对污染逆境适应能力的增强, 土壤微生物
活性迅速恢复,其结果使得原来滞后的降
解速度迅速加快.尽管如此,合理的调控对
加快 PAHs降解的重要作用不可缺少. 这
一点也正是对土壤有机污染物生物降解调
控的必要性所在.
3. 4 TW80对 PAHs降解调控作用的综
合分析
一般来说, PAHs 在水中的溶解度极
小,生物可利用性差. 表面活性剂具有增溶
作用,可增加 PAHs在水中的溶解度和生
物可利用性. 从所得结果看, 作为调控因
子, TW80的作用从整体上看处在次要的
位置,但是从表 4和 6的最佳条件分析,发
现表面活性剂 TW80具有调控作用. 这两
组实验结果间接表明, 在适宜的环境条件
下,加入一定量的表面活性剂,有利于加快
PAHs的降解.
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644 应 用 生 态 学 报 9 卷