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多氯联苯净化农田泥土的原位生态调控修复效应
发布者:admin 公布工夫:2012-10-27 20:15:00 浏览:7432

Polluted Soil by Ecological
Controlling Measures: A Field Trial
PAN Cheng1,3
,TENG Ying1,3
,LUO Yong-ming1,2
,3
,TU Chen1,2
,LI Xiu-fen1,3
,MA Ting-ting1,3
,ZHANG Manyun1,3
,LI Zhen-gao1,SONG Jing1
( 1. Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing
210008,China; 2. Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy of Sciences,Yantai 264003,China; 3. Graduate
University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract: A field experiment was conducted to study the remediation of agricultural soils polluted with polychlorinated biphenyls
( PCBs) by several ecological controlling measures. After sequential stages of liming,plowing,planting alfalfa and paddy,a significant
part of PCBs was removed from the soil,with an average removal rate of 86. 9%. The treatment also decreased the toxic equivalency of
dioxin-like PCBs in soil. Analysis of PCB congener composition showed that at stages of liming,plowing and alfalfa planting,the lowchlorinated
biphenyls were removed; whereas at the stage of paddy planting,the high-chlorinated biphenyls were degraded. The
ecological controlling measures had little influence on the microbial communities in soil. The results suggest that ecological control
techniques could be widely applied in the remediation of agricultural soils with PCBs contamination.
Key words: polychlorinated biphenyls( PCBs) ; soil contamination; ecological control; in-situ remediation; agricultural soils
多氯联苯( polychlorinated biphenyls,PCBs) 是国
际上极其存眷的《斯德哥尔摩条约》中首批受控的
持久性有机污染物之一[1]. 农田泥土受PCBs 净化
后,可经由过程农作物进入食物链,逐级富集放大,终极
要挟人体安康[2,3
]. 今朝对净化泥土已构成的修复
手艺系统包罗生物修复、物理修复、化学修复及其联
合修复等手艺,并朝着绿色与环境友好的生物修复、
结合杂交的综合修复、原位修复等手艺方向发
展[4].
原位生态调控修复,是按照生态学道理,操纵特
异生物( 如修复动物或专性降解微生物等) 对情况
污染物的代谢历程,并借助物理修复与化学修复以
及工程技术的某些步伐加以强化或前提优化,使污
染情况得以修复的综合性环境污染治理手艺[5,6
].
关于持久受PCBs 净化的农田泥土,接纳原位生态
调控修复手艺,能够最大限度地激活泥土生态系统
的自净功用,实现转移或转化、肃清或消减泥土中的
污染物含量,低落泥土毒性当量、规复或部门规复土
壤效劳功用,成为一种极具使用远景的修复步伐.
但是到今朝为止,针对PCBs 净化农田泥土生
态调控修复的研讨,其研讨标准多局限于室内盆栽
实验或田间微域实验[7,8
],较少触及中等及中等以
上范围农田原位修复效应. 因而,本研讨以长江三角
洲某典范污染区中等范围面积PCBs 净化农田为对
象,分离本地耕耘风俗,研讨差别生态调控修复阶段
下泥土中PCBs 含量构造、泥土毒性、微生物数目的
静态变革趋向与净化泥土修复效应,以期为进一步
7 期潘澄等: 多氯联苯净化农田泥土的原位生态调控修复效应
研发推行与扩大使用PCBs 净化农田泥土的原位生
态调控修复手艺供给科学根据.
1 质料与办法
1. 1 供试质料
供试动物: 紫花苜蓿( Medicago sativa L. ) ,种子
购于江苏省农业科学院; 水稻( 甬优6 号) ,种子购
于本地农资公司.
PCBs 混淆尺度样品( 包罗PCB8、PCB18、
PCB28、PCB44、PCB52、PCB66、PCB77、PCB101、
PCB105、PCB118、PCB126、PCB128、PCB138、
PCB153、PCB170、PCB180、PCB187、PCB195、
PCB200、PCB206、PCB209) 购自百灵威公司. 丙酮、
正己烷等有机溶剂均为阐发纯,重蒸后利用. 硫酸为
优级纯,无水硫酸钠为阐发纯. 硅胶( 100 ~ 200 目)
和无水硫酸钠参照美国EPA 测试办法3550B 和
3630C 停止处置[9].
1. 2 实验方案设计与施行
实验在长江三角洲某典范PCBs 净化的农田中
停止,供试泥土为水稻土,体系分类为铁聚水耕报酬
土. 泥土pH 值为4. 37,有机质含量为32. 8 g·kg - 1,
全氮、全磷、全钾别离为1. 79、0. 44 和24. 1 g·kg - 1 .
实验用地面积约为0. 73 hm2,根据本地传统农田耕
作地区分别为10 个小区( 每一个小区面积0. 05 ~
0. 10 hm2 不等) ,编号S1 ~ S10,随机布列. 每一个小区
中均安排无底的PVC 圆筒( 高度50 cm,直径30
cm,圆筒高出表层泥土10 cm,避免桶表里物资互
换) ,连结圆筒中泥土无任何扰动影响,以作为比较
处置.
原位生态调控修复分为泥土调控翻耕修复、紫
花苜蓿修复、水稻栽种修复三个阶段停止. 泥土调控
翻耕修复阶段: 对PCBs 净化泥土施用石灰1 800
kg·hm - 2,钙镁磷肥450 kg·hm - 2,并利用农用机器
对泥土停止周期型翻动,修复持续时间为1 个月;
紫花苜蓿修复阶段: 接纳栽种紫花苜蓿并接种根瘤
菌与菌根真菌方法停止修复,以条播方法停止播种,
播种量为22. 5 kg·hm - 2,菌剂接种量均为150
g·hm - 2阁下,修复工夫连续3 个月; 水稻栽种修复
阶段: 将紫花苜蓿翻压入泥土,并根据本地栽种风俗
和方法,施行栽种水稻修复,修复工夫连续4 个月.
别离于每一个修复阶段末收罗泥土样品,泥土样品按
梅花形采样法收罗,四分法得到混淆样. 将所收罗样
品分红两份,一份土样放于自封袋中,于4℃保留,
以供泥土微生物数目测定; 另外一份样品经冷冻枯燥
后,过60 目筛,以供泥土根本理化性子和多氯联苯
含量阐发.
1. 3 PCBs 提取与阐发
泥土中PCBs 的提取与阐发前提参考文献
[10],办法以下.
称取泥土样品5. 0 g 放入玻璃离心管,用30 mL
正己烷-丙酮提取液( 1∶ 1,体积比) 浸提留宿后,2
5℃
超声提取15 min,1 500 r·min - 1 离心5 min,搜集浸
提液. 再分别用20 mL 一样的提取液超声提取两次,
每次15 min,兼并3 次浸提液,扭转蒸发至近干,加
入5 mL 正己烷交换,稀释至2 mL 后转入复合硅胶
柱停止纯化. 复合硅胶柱( 长250 mm,内径10 mm)
内顺次装填硅胶、中性氧化铝、酸性硅胶和无水硫酸
钠( 2∶ 2∶ 1∶ 1,质量比) . 用10 mL 正己烷淋洗该柱,
弃去淋洗液,然后参加处置后的样品提取液,用30
mL 正己烷停止洗脱,洗脱液扭转蒸发稀释,用正己
烷定容至5 mL,待上机阐发测定.
色谱前提: 接纳带有电子俘获检测器和主动进
样器的Varian 3800 型气相色谱仪阐发. 色谱柱: CPsil24CB(
30 m × 0. 25 mm × 0. 25 μm) ,进样温度为
260℃,检测器温度为300℃. 法式升温: 初始温度为
180℃,保存0. 5 min, 30℃·min - 1梯度升温至260℃,
连续18 min,然后15℃·min - 1梯度升温至270℃,持
续2 min. 无分流进样1 μL,载气为高纯氮,流速为
1. 0 mL·min - 1 .
质量掌握: 在样品阐发历程中停止办法空缺、基
质加标、平行样以及加标收受接管测定. 21 种PCBs 混标
( 10 μg·kg - 1 ) 的基质加标均匀回收率是72. 0% ~
109. 8%,相对标准偏差是3. 1% ~ 57. 3%,仪器检
测限为1. 43 μg·kg - 1 ~ 5. 10 μg·kg - 1,办法检出限
为1. 33 μg·kg - 1 ~ 3. 45 μg·kg - 1 . 接纳七点校订法
获得尺度物资的校订曲线,按照保存工夫对目的化
合物停止定性分析,接纳峰面积积分法停止定量
计较.
1. 4 泥土中类二英PCBs 毒性当量计较
泥土中类二英PCBs 毒性当量( TEQ) 计较方
法拜见文献[11],公式以下:
TEQ = Σ ( cPCB × TEFPCB
)
式中,cPCB
暗示各个类二英PCB 浓度; TEFPCB
为各
个二英PCB 的毒性当量因子.
1. 5 泥土微生物数目及根本理化性子阐发
泥土微生物数目阐发,接纳泥土稀释平板法,具
体办法拜见文献[12]. 泥土pH 值接纳1∶ 2. 5 土液
比浸提,pH 计测定; 土壤有机质含量接纳重铬酸钾
2511
情况科学33 卷
外加热法测定; 全氮含量接纳半微量开氏法测定;
接纳HClO4-HF 消解泥土,钼锑抗比色法测定全磷
含量,火焰光度计测定全钾含量,详细办法拜见文献
[13].
1. 6 数据统计分析
所有实验数据用Microsoft Excel 2003 和SPSS
16. 0 统计软件阐发.
2 成果与阐发
2. 1 差别修复阶段泥土中PCBs 含量变革
图1 差别修复阶段泥土中PCBs 含量与pH 变革
Fig. 1 Variations in the concentrations of PCBs
and pH of soil at different stages
颠末差别处置阶段后,实验用地与比较处置土
壤中PCBs 含量与泥土pH 变革状况见图1. 由图1
可见,在调控翻耕与紫花苜蓿修复阶段,泥土中
PCBs 的含量均较上一阶段逐渐低落,泥土pH 则有
所降低. 而在水稻修复阶段,PCBs 含量略有上升,土
壤pH 则有较着降落. 有研讨表白,经由过程对泥土停止
周期型翻动,能够改进泥土的通气情况,有利于
PCBs 净化泥土中土著微生物的发展,进步代谢活
性,从而增进泥土中PCBs 的天然降解[14]. 而豆科植
物紫花苜蓿已被普遍用于PCBs 净化泥土的动物修
复手艺中[15],并可经由过程接种根瘤菌以刺激进步根际
微生物活性,进而强化紫花苜蓿对PCBs 净化泥土
的修复感化[16]. 考虑到紫花苜蓿不宜在酸性泥土上
发展[17],因而经由过程前期增加石灰停止调控,改进当
地泥土酸化征象,为泥土微生物与紫花苜蓿供给了
相宜的发展情况,进一步强化对泥土中PCBs 的去
除结果. 而在栽种水稻后,因为泥土处于淹水前提
下,泥土处于厌氧形态,且pH 较着低落,不利于土
壤中好氧微生物的发展与繁衍,因而限定了PCBs
的好氧降解. 同时,一方面能够因为在栽种水稻前需
将紫花苜蓿翻压入泥土,使得部门被紫花苜蓿间接
提取吸取的PCBs 从头进入泥土[18]; 另一方面能够
因为农田淹水而引入周边污染源中的PCBs 并在土
壤中积蓄[19],由此形成水稻修复阶段后泥土中
PCBs 含量略有上升.
课题组前期工作表白,本地农田泥土中PCBs
的滥觞遭到一些较为分离的人为因素影响,其空间
散布其实不平均[20]. 而在本研讨中修复试验区总面积
相对较大,因而各小区之间泥土中PCBs 含量也存
在必然差别( 图2) ,其修复前含量为406 ~ 2 560
μg·kg - 1不等. 经差别阶段生态调控修复后,各小区
泥土中PCBs 含量均有差别水平的降落,大部分变
化趋向也一样在调控翻耕与紫花苜蓿修复阶段连续
降落,在水稻修复阶段有所上升. 同时,在停止至紫
花苜蓿修复阶段后,各小区泥土中PCBs 含量变革
根本趋于分歧,均为100 μg·kg - 1阁下. 成果表白,对
于中低浓度PCBs 持久净化农田泥土,因为泥土中
已存在有必然具有降解PCBs 的土著微生物,经由过程
原位生态调控步伐可刺激其活性,进步对PCBs 降
解结果. 同时,由图2 可见,高浓度PCBs 的降解速
率要较着高于低浓度净化程度,由此揣测泥土中
PCBs 净化程度也能够为降解服从的影响因子之一,
但其详细影响效应仍有待进一步研讨.
图2 差别修复阶段各小区泥土中PCBs 含量
Fig. 2 Concentrations of PCBs in each test plot at different stages
2. 2 差别修复阶段泥土中PCBs 组分构造变革
由表1 可见,实验农田泥土中的PCBs 构成,主
要以低氯代( 氯原子数≤5) 组分为主,此中,三氯联
苯含量最多,其次为二氯与四氯联苯. 本课题组前期
研讨表白,农田泥土PCBs 次要来源于烧毁电容器
的中的介质油,形成泥土中二、三、四氯等低氯代
PCBs 的大量积累. 而经差别阶段生态调控修复后,
各组分含量均有差别水平低落,但总体上照旧以低
氯代组分为主.
2512
7 期潘澄等: 多氯联苯净化农田泥土的原位生态调控修复效应
表1 差别修复阶段泥土中PCBs 同系物含量/μg·kg - 1
Table 1 Concentrations of PCB congeners in soil at different stages /μg·kg - 1
PCBs 氯代数修复前调控翻耕阶段苜蓿修复阶段水稻修复阶段
2-氯297. 1 ± 56. 4 117. 5 ± 21. 6 30. 6 ± 6. 1 41. 8 ± 8. 3
3-氯714. 6 ± 128. 6 467. 8 ± 86. 3 49. 7 ± 11. 8 109. 1 ± 16. 9
4-氯256. 9 ± 34. 2 192. 0 ± 36. 5 12. 3 ± 3. 0 54. 1 ± 10. 9
5-氯50. 2 ± 12. 9 34. 5 ± 7. 1 9. 3 ± 2. 1 6. 9 ± 1. 3
6-氯13. 4 ± 2. 6 14. 3 ± 3. 6 11. 8 ± 2. 7 4. 9 ± 0. 9
6-氯以上10. 7 ± 1. 9 8. 5 ± 1. 6 7. 2 ± 1. 6 3. 2 ± 0. 6
表2 差别修复阶段泥土中类二英PCBs 毒性当量( TEQ) /ng·kg - 1
Table 2 Toxic equivalency of dioxin-like PCBs in soil at different stages ( TEQ) /ng·kg - 1
类二英PCBs TEF 修复前
调控翻耕阶段苜蓿修复阶段水稻修复阶段
修复处置比较处置修复处置比较处置修复处置比较处置
PCB77 0. 000 1 2. 37 1. 63 2. 47 0. 43 0. 70 0. 87 1. 08
PCB105 0. 000 03 0. 31 0. 27 0. 36 0. 09 0. 12 0. 09 0. 25
PCB118 0. 000 03 0. 32 0. 18 0. 35 0. 06 0. 08 0. 04 0. 26
PCB126 0. 1 256. 52 N. C. 1) 168. 28 N. C. 108. 62 61. 52 240. 11
TEQ 259. 52 2. 08 171. 46 0. 58 109. 52 62. 51 241. 70
1) N. C. 暗示该PCB 单体未有检出或浓度太低没法计较
经由过程对修复实验与比较处置泥土中PCBs 组分
构造静态变革阐发,能够看出,在差别修复阶段,土
壤中高、低氯代PCBs 的变革纪律差别( 图3) . 在调
控翻耕与紫花苜蓿修复阶段,低氯代PCBs 组分显
著降落,而高氯代组分变革不明显; 在水稻修复阶
段,低氯代组分又显现出较着的上升趋向,而高氯代
组分则进一步低落. 与此比拟,比较处置中,固然在
调控翻耕与紫花苜蓿修复阶段后各组分均有必然降
低,但不及修复处置中结果较着; 而在水稻修复阶
段,低氯与高氯组分含量均有明显上升.
图3 差别修复阶段泥土中低氯代与高氯代PCBs 含量静态变革
Fig. 3 Dynamic changes of low-chlorinated and high-chlorinated
biphenyl concentrations in soil at different stages
普通以为,泥土微生物对PCBs 的降解次要通
过好氧与厌氧脱氯两种路子[21]. 关于低氯代PCBs
组分,次要经由过程微生物好氧降解停止[22],因而,经由过程
增加石灰与翻耕,调理泥土理化性子并改进泥土通
气性,为好氧微生物供给了相宜的发展情况; 同时
又经由过程栽种紫花苜蓿强化增进根际微生物活性,使
泥土中的低氯代组分被大量降解. 关于高氯代PCBs
组分,则次要经由过程厌氧脱氯路子停止,即在厌氧前提
下,经由过程催化复原反响,把芳香族的氯代化合物从高
氯转化为低氯或无氯的物资[23],因而,在栽种水稻
后,因为停止淹水处置,泥土处于厌氧形态,使高氯
代PCBs 脱氯转为低氯代物资,使泥土中高氯代
PCBs 含量削减,而低氯代PCBs 则因不竭积聚使得
含量有所上升. 同时,因为废旧电容器油是PCBs 污
染的次要滥觞,加上试验田自己为开放系统,淹水措
施也有可能引入周边含PCBs 的污水并在泥土中富
集,因而使比较泥土中PCBs 总量有所上升.
2. 3 生态调控修复步伐对泥土中类二英PCBs 毒
性当量及微生物数目的影响
PCBs 同系物数量繁多,但因为联苯氯代水平与位
置差别,其毒性也存在着很大的差别[24]. 此中, 12 种具
有共平面分子结构的PCBs 同系物被称为类二英
PCBs,具有较强的生物毒性[25]. 本研讨中,可检出的类
二英PCB 单体次要为PCB77、PCB105、PCB118、
PCB126 这4 种,其毒性当量计较成果见表2.
由表2 可知,至苜蓿修复阶段完成后,毒性当量
已从修复前的259. 52 ng·kg - 1 降至0. 58 ng·kg - 1,
修复效果显著; 但经水稻修复阶段后,又上升至
62. 51 ng·kg - 1 . 因为在该试验田泥土中,PCB126 是
毒性当量因子最大的单体,因而,其含量间接影响土
壤毒性当量变革. 泥土毒性当量变革与泥土PCBs
含量变革趋向根本分歧,阐明停止调控翻耕与紫花
2513
情况科学33 卷
苜蓿修复有助于毒性当量的明显低落,而水稻修复
则会发生倒霉影响.
图4 差别修复阶段泥土中微生物数目静态变革
Fig. 4 Dynamic changes of microbial populations
in soil at different stages
因为农田原位生态调控修复次要操纵泥土中的
土著微生物类群,经由过程停止情况因子调控与栽种植
物强化刺激,以激起其对污染物的降解潜力,从而在
不影响本身泥土微生物生态的状况下,到达降解氯
代芳香族污染物的修复目标; 同时,泥土微生物生
态的变革状况,一定程度上能够经由过程泥土中各种微
生物的种群数目反应. 因而,对泥土中次要微生物
( 细菌、真菌、放线菌) 数目静态变革停止阐发,成果
如图4 所示.
从图4 可知,在停止调控翻耕修复时,泥土中细
菌与真菌数目均有所降落,而放线菌数目则略有上
升,阐明增加石灰并停止泥土翻耕,有利于放线菌的
发展,但对细菌与真菌发展有必然影响; 在停止苜
蓿修复时,泥土中细菌与真菌数目均呈明显增长趋
势,而放线菌数目变革不大,可见经由过程栽种紫花苜蓿
后,强化刺激了泥土微生物的发展活性,同时也改进
了泥土根际微生物生态; 在停止水稻修复时,三大
菌群数目均显现较着的降落趋向,表白淹水前提并
不利于泥土微生物发展,也由此形成微生物活性降
低,这能够也是招致淹水形态下供试泥土中PCBs
降解非常迟缓的主要缘故原由之一. 成果表白,停止原位
生态调控修复时,固然各阶段差别微生物有其各自
变革纪律,但团体而言,在修复前后,泥土中微生物
数目整体变革其实不大,可见该修复步伐并未对原土
壤微生物生态形成猛烈影响.
3 结论
( 1) 关于中等范围PCBs 净化农田经由过程原位生
态调控步伐,包罗增加石灰,地盘翻耕,栽种紫花苜
蓿等停止原位修复,可使泥土中PCBs 含量明显降
低,同时可改进泥土理化性子,减轻泥土酸化,增进
泥土微生物发展活性,得到了较好的修复结果,具有
进一步推行与扩大使用的发展前景.
( 2) 差别的修复步伐具有各自针对的污染物
范例,接纳调控翻耕与栽种苜蓿可有用去除低氯
代PCBs 组分,栽种水稻可低落高氯代PCBs 含
量. 而关于多种PCBs 复合净化泥土,宜经由过程两种
或以上的修复步伐公道组合公道瓜代,停止持久
原位修复,到达对泥土中各种PCBs 组分的片面
修复结果.
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