镉-多环芳烃复合污染土壤植物修复的强化作用及机理

摘要

随着我国工业化和城市化进程的发展，环境中重金属和有机污染物的排放量在相当长的时间内会保持在比较高的水平，我国土壤污染也将因此趋向严重化和复杂化。根据近年来的一些报道，我国许多区域的土壤中存在重金属-有机物复合污染。针对我国土壤污染治理出现的新的问题和挑战，发展环境友好、成本低廉且的原位修复技术是亟待解决的问题。本研究以我国土壤典型污染物镉(cadmium，Cd)和多环芳烃(polycyclicaromatichydrocarbons，PAHs)为代表，研究了Cd和PAHs在复合污染过程中的相互作用及其对我国原生Cd超积累植物东南景天(Sedumalfredii)对复合污染修复效应的影响，并通过农艺、化学和微生物等措施开展了Cd-PAHs复合污染土壤植物修复强化技术及机理的研究，取得的主要研究结果如下:
　　 (一)采用室内培养试验模拟Cd和PAHs在土壤复合污染过程中的对彼此环境行为的影响。研究结果表明，土壤中苯并[a]芘(benzo[a]pyrene，B[a]P)的消散主要是通过微生物降解途径。高Cd浓度(25mgkg-1)对土壤中B[a]P的降解有明显的抑制作用，加入初始浓度为250mgkg-1的芘(pyrene，PYR)能显著促进B[a]P的降解，缩短其半衰期并缓减高Cd浓度对B[a]P的降解的抑制。解吸态和非解吸态B[a]P对其在土壤中的降解均有贡献且可以相互转化，其中解吸态B[a]P的贡献率较大，而残留态B[a]P对总降解量的贡献可以忽略。因PYR的加入而促进降解的那部分B[a]P主要为解吸态。加入PYR在250天的培养过程中未对土壤中水提取态和有效态(醋酸铵提取态)Cd浓度产生显著影响，高Cd浓度土壤中水提取态和有效态Cd浓度受到老化作用的影响，在培养后期有下降趋势。
　　 (二)采用盆栽试验研究了我国原生Cd超积累植物东南景天在Cd-PHE(phenanthrene，菲)/PYR复合污染土壤中的生长及其对两类污染物的去除能力。供试土壤为轻度Cd污染的菜地土壤(0.92mgkg-1)，分别指设置2个Cd污染浓度(0.92，6mgkg-1)和3个PHE/PYR污染浓度(0，25，150mgkg-1)，并将各个Cd和两种PAHs的污染水平分别进行交叉处理。在各个复合污染浓度土壤中种植东南景天并设置无植物对照。研究结果表明，土壤Cd浓度的提高促进了东南景天的生长，但是PAHs的存在抑制了这种促进作用。同时，在高浓度Cd污染土壤中PAHs还抑制了东南景天对Cd的吸收积累并降低了Cd的植物提取效率。经过60天的种植，土壤Cd的植物去除率在低、高浓度Cd污染土壤中分别为5.8～6.7％和5.7～9.6％。PHE和PYR的去除率在种植东南景天后的土壤和无植物对照土壤中并无显著差异。土壤Cd浓度的提高抑制了PYR在土壤中的降解消散，同时也抑制了脱氢酶活性，这说明Cd对PYR降解的抑制可能是由其对土壤微生物活性的抑制作用引起的。本试验的结果说明东南景天可以在PHE或PYR存在下，从土壤中有效提取Cd，但是在高浓度Cd污染土壤中，其提取效率受到两种PAH的抑制。另一方面，仅种植东南景天不足以同时修复土壤中的PAH，其他强化措施需要被引入以达到共同去除Cd和PAH的目的。
　　 (三)通过盆栽试验，研究了有机肥(猪粪蚯蚓堆肥产物，pigmanurevermicompost)强化东南景天修复Cd-PAHs复合污染土壤的潜力。在Cd浓度为5.53mgkg-1的土壤中添加三种代表性的PAHs(PHE、PYR和蒽(anthracene，ANT)，每种目标浓度均为250mgkg-1)。试验设置四个处理:1)无植物且不施用有机肥的土壤;2)种植东南景天但不施用有机肥的土壤;3)施用有机肥但不种植东南景天的土壤;4)施用有机肥且种植东南景天的土壤。研究结果表明，施用有机肥使东南景天地上部和根部的干物质重分别是未施肥处理的2.17和3.93倍，但没有对植物地上部Cd浓度产生显著影响。施肥处理中Cd的植物提取效率是未施肥处理的1.97倍。施用有机肥不但对土壤酶活没有抑制作用，反而增高了土壤微生物生物量碳。与无植物无肥料对照相比，施用有机肥且种植东南景天分别将PHE、PYR和ANT的去除率提高了0.26％、3.21％和4.00％，但是单独施用有机肥或种植东南景天对PAHs的消散没有促进作用。土壤中的PAH降解菌的相对丰度与PAHs的去除率没有显著相关性。施用有机肥且种植东南景天显著改变了土壤总细菌群落结构和多样性，相对较高的PAHs去除率可能是由于有机肥与植物根系相互作用改变了根际土壤的微生物群落结构使其更有利于PAHs降解。综上所述，种植东南景天并施用有机肥能有效去除Cd-PAHs复合污染土壤中的两类污染物。
　　 (四)通过盆栽试验比较了东南景天-黑麦草(Loliumperenne)、东南景天-蓖麻(Ricinuscommunis)套作体系与东南景天单作体系对Cd-PAH复合污染土壤中Cd、锌(Zn)和铅(Pb)的提取效率和PHE、PYR和ANT的去除率。研究结果表明，与蓖麻套作降低了东南景天地上部的生物量。与黑麦草和蓖麻套作分别使东南景天地上部的Cd浓度比单作处理中下降了64.3％和47.4％，相反，与黑麦草和蓖麻套作分别使东南景天地上部的Zn浓度比单作处理中提高了19.8％和25.6％。与黑麦草套作的东南景天地上部Pb浓度显著高于单作处理。总体上，三种植物系统对Cd、Zn和Pb的总提取量没有显著差异(除了东南景天-黑麦草套作系统对Pb的提取量最高)。两种套作体系中土壤PYR和ANT的去除率显著高于东南景天单作体系和无植物对照。与无植物对照相比，东南景天-黑麦草和东南景天-蓖麻套作系统分别把土壤中PYR的去除率提高了2.3％和3.5％，而ANT的去除率则分别提高了8.5％和9.1％。这可能是因为套作体系促进了土壤微生物的生长和主要氧化还原酶活性。综上所述，东南景天-黑麦草、东南景天-蓖麻套作体系是从复合污染土壤中同时去除重金属和PAHs的有效措施。
　　 (五)通过盆栽试验研究了非离子表面活性剂Tween80、B[a]P降解菌剂及两者联合施用对东南景天修复Cd-B[a]P复合污染土壤的影响。研究结果表明，Tween80、B[a]P降解菌剂和两者联合作用均未对植物生长和Cd提取效率产生显著影响。东南景天对低、高两个Cd水平的Cd-B[a]P复合污染土壤中Cd的提取效率分别为16.8～20.8％和6.4～7.6％。总体上，施用菌剂能促进土壤中B[a]P的降解，而Tween80对B[a]P去除率的影响受到土壤Cd浓度水平和植物相互作用的影响。在高Cd浓度(4.71mgkg-1)土壤中，菌剂-表面活性剂协同作用能最有效地去除B[a]P。东南景天-菌剂联合修复能同时并有效地去除土壤中的Cd和B[a]P，而Tween80-菌剂-东南景天联合作用在高Cd浓度水平的Cd-B[a]P复合污染土壤中能最高效地同时去除两种污染物。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 重金属-有机物复合污染土壤植物修复研究进展

1．1 引言

1．2 重金属-有机物复合污染土壤植物修复及其强化

1．2．1 重金属-有机物复合污染土壤植物修复的研究历史和复杂性

1．2．2 重金属-有机物复合污染土壤植物修复的强化措施

1．3 本研究的提出

1．3．1 本研究的切入点

1．3．2 本研究的内容

1．3．2 技术路线

第二章 镉和多环芳烃在土壤复合污染过程中的相互作用

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 化学试剂

2．2．2 实验设计

2．2．3 土壤中各种形态B[a]P的测定

2．2．3 土壤全量、水提取态和有效态Cd分析

2．2．4 数据统计分析

2．3 结果与分析

2．3．1 Cd对B[a]P土壤降解行为的影响

2．3．2 PYR在不同Cd浓度下对B[a]P土壤降解行为的影响

2．3．3 Cd和PYR对土壤中B[a]P降解动力学的影响

2．3．4 不同形态B[a]P在B[a]P土壤降解中的贡献

2．3．5 PAH和老化过程对土壤Cd有效性的影响

2．4 讨论

第三章 镉和多环芳烃相互作用对东南景天修复镉-多环芳烃复合污染土壤的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 化学试剂

3．2．2 污染土壤制备

3．2．3 植物材料

3．2．4 盆栽试验

3．2．5 植物和土壤样品的采集

3．2．6 土壤微生物生物量碳和脱氢酶活性的测定

3．2．7 土壤和植物样品中PAHs的测定

3．2．8 土壤和植物样品中Cd的测定

3．2．9 数据统计分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 植物生长和生物量

3．3．2 东南景天对Cd的吸收积累和提取

3．3．3 土壤中PAHs的消散

第四章 有机肥强化东南景天修复镉-多环芳烃复合污染土壤

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 化学试剂

4．2．2 污染土壤制备

4．2．3 有机肥

4．2．3 植物材料

4．2．4 盆栽试验和样品采集

4．2．5 土壤微生物生物量碳和酶活性的测定

4．2．6 Cd和PAHs的测定

4．2．7 定量PCR和T-RFLP分析

4．2．8 数据统计分析

4．3 结果与分析

4．3．1 植物生长和生物量

4．3．2 植物对Cd的吸收和提取

4．3．3 土壤微生物生物量碳和酶活性

4．3．4 土壤中PAHs的消散

4．3．5 土壤中16S rDNA和PAH-RHDa基因的定量

4．3．6 土壤总细菌群落结构和多样性

4．4 讨论

4．4．1 有机肥对东南景天生长和Cd提取的影响

4．4．2 植物、有机肥及其相互作用对PAHs消散的影响

4．4．3 有机肥强化植物修复Cd-PAHs复合污染土壤的应用前景

第五章 植物套作系统强化修复镉-多环芳烃复合污染土壤

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 化学试剂

5．2．2 污染土壤制备

5．2．3 植物材料

5．2．4 盆栽试验和样品采集

5．2．5 土壤水溶性酚类物质测定

5．2．6 土壤微生物生物量碳和酶活性的测定

5．2．7 重金属和PAHs的测定

5．2．8 数据统计分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 植物生物量

5．3．2 植物对重金属的吸收和积累

5．3．3 土壤生物学指标

5．3．4 PAHs在土壤中的消散

第六章 表面活性剂-菌剂强化东南景天修复镉-多环芳烃复合污染土壤

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 化学试剂

6．2．2 污染土壤制备

6．2．3 植物材料

6．2．4 B[a]P降解菌剂

6．2．5 盆栽试验和样品采集

6．2．6 土壤样品中PAH的测定

6．2．7 土壤和植物样品中Cd的测定

6．2．8 数据统计分析

6．3 结果与分析

6．3．1 植物生长和生物量

6．3．2 植物对Cd的吸收和积累

6．3．3 Cd的转运系数、富集系数和植物提取效率

6．3．4 土壤中B[a]P的消散

6．4 讨论

第七章 综合结论、创新点及研究展望

7．1 综合结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文