萘、菲、芘在土壤中的降解及其对植物生长的影响

李玉龙，刘永军

(西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055)



萘、菲、芘在土壤中的降解及其对植物生长的影响

李玉龙，刘永军

(西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055)

[摘要]【目的】 分析多环芳烃(PAHs)萘、菲、芘在土壤中随时间的降解情况及其对小麦、小白菜生长的影响。【方法】 采用盆栽试验，以小麦和小白菜为供试植物，研究PAHs不同起始含量(0(空白对照)，50，100，200，500 mg/kg)下土壤中萘、菲、芘残留量随时间的变化情况以及PAHs对植物发芽、生长的影响。设置小麦种植组、无植物对照组、无植物土壤灭菌对照组3个处理，研究种植小麦对土壤中PAHs萘、菲、芘含量的影响。【结果】 小麦和小白菜种植90 d时，土壤中萘、菲、芘的平均残留量分别为其起始含量的25.88%，29.84%和47.25%，萘、菲在土壤中的残留比率相差不大，而芘在土壤中的残留比率明显高于萘和菲。随着时间的推移，土壤中萘、菲、芘的残留量均逐渐降低， 90 d时残留量表现为芘>菲>萘。土壤中的萘、菲、芘对小白菜的发芽率和生长都有明显的抑制作用，并且土壤中PAHs起始含量越大，这种抑制作用越明显。PAHs对小麦发芽及生长情况的影响与小白菜有所差异，当土壤中PAHs的起始含量为0～100 mg/kg时，PAHs对小麦的发芽具有一定的促进作用，而当PAHs起始含量超过100 mg/kg时，其对小麦的发芽表现出抑制作用；与空白对照相比，不同含量PAHs对小麦生长的影响不明显。种植30 d时，小麦种植组土壤中的萘、菲、芘残留量较起始含量(300 mg/kg)分别减少了20.92%，21.75%和21.23%，较无植物对照组分别降低了9.75%，8.77%和9.96%，较无植物土壤灭菌对照组分别降低了8.88%，16.10%和16.14%。【结论】 植物的存在能明显促进土壤中PAHs的降解，这是土壤微生物与植物共同作用的结果。

[关键词]多环芳烃；土壤污染；残留量；植物生长

多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是指由2个或2个以上的高温获得的苯环以直链状、角状或簇状排列组成的稠环化合物，具有半挥发性和脂溶性，是有机物不完全燃烧或高温裂解的副产品[1]。由于PAHs对人类和动物具有致癌、致畸、致突变作用，且环境中的PAHs具有持久性，故其在环境中的残留引起人们的广泛关注[2-3]。挥发、非生物丢失(如水解、淋溶)及生物降解作用对土壤中PAHs的残留量都具有一定的影响[4]，部分植物能够促进土壤中PAHs的降解，同时植物的根系和茎叶对不同的PAHs也有不同程度的富集吸收作用[5-8]。

残留在土壤中的PAHs不仅影响土壤的正常功能，降低土壤的环境质量，而且影响植物的生长[9]。目前，国内外对PAHs的研究主要集中在其环境行为方面，而有关PAHs对粮食和蔬菜的影响研究较少。本研究通过盆栽试验，以典型的PAHs——萘、菲、芘为代表污染物，以小白菜为蔬菜类代表、小麦为粮食类代表，重点研究了土壤中萘、菲、芘对植物产生的毒害作用及在植物作用下土壤萘、菲、芘残留量随时间的变化情况，以期为进一步研究PAHs对植物的毒害机制、农作物的安全生产和土壤的植物修复提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1试剂与仪器萘、菲、芘(分析纯，纯度>97%)，购自Aladdin试剂公司，依次为2、3、4个苯环的芳烃，相对分子质量分别为128.18，178.23，202.25。其他试剂还有二氯甲烷(分析纯，纯度>99.5%)、丙酮(分析纯)、无水硫酸钠(分析纯，纯度>99.0%)。

主要仪器有KQ-500DE型数控超声波清洗器、RE52CS-2型旋转蒸发器、岛津(GC-2014)气相色谱仪。

1.1.2供试土壤与种子供试土壤采自西安建筑科技大学菜园，为表层(0～20 cm)土。土样风干后磨碎，过2 mm土壤筛后用于盆栽试验，其基本理化性质为pH值7.93，有机质14.81 g/kg，有效磷为3.753 mg/kg，有效氮为39.43 mg/kg。

供试的小麦、小白菜种子购自天津市津科力丰种苗有限公司。

1.2试验设计

本研究采用盆栽试验法分2批进行：第1批研究污染土壤对植物生长的影响及土壤中污染物残留量随时间的变化情况；第2批研究植物对污染土壤中PAHs含量的影响。

第1批：分别称取一定质量的萘、菲、芘于同一烧杯中进行混合，加入丙酮使其溶解后加入到200 g供试土壤中，放入通风橱内，待丙酮完全挥发后，再用未污染的土壤不断稀释，搅拌均匀，制得外源PAHs起始污染含量分别为0(空白对照，CK)，50，100，200，500 mg/kg的土壤各24 kg，其中萘、菲、芘的起始含量见表1。分别称取3 kg上述土壤于230 mm×180 mm花盆中，加水使土壤含水量为60%的田间持水量，维持48 h后进行播种。小麦每盆播种15粒种子，小白菜每盆播种20粒种子，各20盆。10 d后间苗，每盆留8株幼苗，观察其生长情况并于90 d后测量其株高、根长、全株干质量、根干质量和叶面积(只测小白菜)，计算种子发芽率(发芽率=10 d时出苗数/播种数)。分别于30，60，90 d对土壤进行采样，充分混匀后放置于低温冰箱中待分析。

表 1　供试土壤中萘、菲、芘的起始含量

注：0 mg/kg(CK)列数据为原始土壤中萘、菲、芘的本底含量。

Note:Data in 0 mg/kg(CK) column are the original soil background contents of naphthalene,phenanthrene,and pyrene.

第2批：为了研究植物对污染土壤中PAHs含量的影响，试验设置了小麦种植组、无植物对照组、无植物土壤灭菌对照组(土壤中加入质量分数为0.1%的NaN3以抑制土壤中土著微生物活动)3个处理，每组设3个重复，土壤中PAHs起始污染水平均为300 mg/kg(实测萘菲芘含量分别为267.36，283.14和287.94 mg/kg)。分别于0，10，20，30 d采集土样，充分混匀放置于低温冰箱中待分析。

1.3土壤样品中萘、菲、芘的提取和分析

取10 g土壤样品于25 mL玻璃离心管中，加入20 mL二氯甲烷，盖紧后置于数控超声波清洗器中超声2 h(功率为40 kHz)，然后在4 000 r/min条件下离心5 min，将上清液通过装有少量无水Na2SO4的漏斗转移至干燥锥形瓶，用旋转蒸发仪蒸干后用二氯甲烷定容到1.8 mL后，用色谱仪进行测定[10-12]。测定条件如下：色谱柱初始温度为80 ℃，以10 ℃/min速度升至250 ℃，再以5 ℃/min升至310 ℃保持5 min，总运行时间为34 min；载气为N2，速度1.8 mL/min；进样口320 ℃，分流进样，分流比 8∶1；FID检测器温度 320 ℃。

1.4数据分析

数据采用Excel 2007软件进行统计分析，结果以“平均数±标准差”(n=3)表示。

2结果与分析

2.1土壤中萘、菲、芘残留量随时间的变化

不同起始含量PAHs处理土壤中萘、菲、芘残留量随时间的变化情况见表2。

表 2　不同起始含量PAHs处理土壤中萘、菲、芘残留量随时间的变化

由表2可知，90 d时，除空白对照(CK)处理外，PAHs处理下苯环数最少的萘在土壤中的残留量为起始含量的20.12%～33.09%，平均为25.88%；菲的残留量为其起始含量的27.72%～34.83%，平均为29.84%；苯环数最多的芘的残留量为其起始含量的33.87%～59.85%，平均为47.25%。土壤中萘、菲、芘的残留量随时间的增加都有明显的降低，90 d时3种污染物在土壤中残留量由高到低总体表现为芘>菲>萘，原因可能与各PAHs本身的性质不同有关，即正辛醇-水分配系数(lgKow)和有机碳吸附系数(lgKoc)的影响所致。lgKow和lgKoc能够反映PAHs的水溶性和其对有机质的吸附能力，PAHs的lgKow、lgKoc越大，说明其脂溶性越强，越容易在固相土壤上发生吸附，而脂溶性弱的污染物则可能由于淋溶、溶解等因素不断减少[13]。3种污染物中，萘的苯环数最少，分子量最小，其脂溶性也最弱，水溶性最强，在环境中易流失和降解，所以其残留量最小；芘含有4个苯环，其分子量最大，脂溶性最强，较萘和菲难降解，在土壤中持留性强，所以其残留量最高[14]。

2.2PAHs对植物生长的影响

2.2.1植物发芽率图1显示，对于小白菜而言，空白对照处理种子发芽率为78.75%， 50，100，200，500 mg/kg PAHs处理小白菜种子的发芽率较空白对照分别降低6.75%，11.25%，8.75%，30.00%。经拟合发现，小白菜种子发芽率(y)与PAHs起始含量(x)之间具有较好的线性关系(负相关)：y=-0.000 3x+0.7506，R2=0.8292。可见，萘、菲、芘对小白菜种子的发芽有明显的抑制作用。这可能是因为小白菜种子对PAHs的毒害作用较为敏感，从而造成了种子萌发延迟或者不萌发。

图1显示，对于小麦而言，PAHs对其种子的发芽率也有明显的影响，萘、菲、芘的起始含量为0～100 mg/kg时，小麦种子的发芽率随污染物含量的升高而逐渐增大，PAHs对小麦发芽率表现为促进作用；当萘、菲、芘的起始含量超过100 mg/kg时，小麦种子发芽率呈降低的趋势，PAHs对小麦发芽率表现为抑制作用。这可能是因为低含量的PAHs提高了胚的生理活性，促进了种子萌发，或者可能是因为PAHs与多数植物的生长激素(如生长素和赤霉酸)具有类似的环状结构，这种结构上的相似性可能会产生类似的作用[15]。而高含量PAHs对小麦种子发芽率的抑制作用可能是因为其对胚、芽等产生了伤害作用；此外，高含量的PAHs胁迫抑制淀粉酶、蛋白酶的活性，即会抑制种子内贮藏淀粉和蛋白质的分解，从而影响种子萌发所需要的物质和能量，致使种子萌发受到抑制[16]。

2.2.2植物生长状况试验观察发现，PAHs处理小白菜生长状况受到了明显的影响。在种植初期，空白对照小白菜种子萌发最早，最先出苗，出苗数最多；而高含量(500 mg/kg)PAHs处理土壤中小白菜种子萌发延迟(平均比其他处理和对照晚3 d)。10 d后观察小白菜的生长状况，空白对照土壤中的小白菜叶片舒展，长势良好(图2-a)；50 mg/kg PAHs处理小白菜出现叶片卷曲、不完整等现象(图2-b)；高含量(200和500 mg/kg)PAHs处理土壤中的小白菜出现了死苗的现象(图2-c、2-d)。随着时间的增长，PAHs胁迫作用逐渐消失，28 d后土壤中小白菜生长状况与空白对照基本一致，这与文献[17]的研究结果相似。

图 1　PAHs对小白菜和小麦发芽率的影响

种植90 d后对不同处理小白菜的生物学性状进行测定，结果如表3所示。由表3可知，与空白对照相比，50～500 mg/kg PAHs处理的小白菜株高、根长、全株干质量、根干质量、叶面积均降低。当PAHs含量为50 mg/kg时，小白菜的全株干质量为空白对照的51.5%；PAHs起始含量为100和200 mg/kg时，小白菜全株干质量分别为空白对照的27.76%和31.77%；当PAHs起始含量达到500 mg/kg时，小白菜全株干质量只有空白对照的 14.05%。由此可见，在受PAHs污染的土壤中小白菜的生长和产量均受到了明显的抑制，这与蔡顺香等[18]研究芘对小白菜幼苗生长和一些生理生化指标影响的结果一致。产生这种结果的原因可能有两点：其一是小白菜种子在发芽阶段受到了PAHs的毒害作用，使种子发芽率降低导致其生长受抑制，生物量降低；其二是在幼苗阶段，由于PAHs的胁迫导致叶片卷曲、不完整、植株生长缓慢，甚至死苗，从而使小白菜产量明显下降。

表 3　种植90 d后PAHs对小白菜生长的影响

本研究发现，在种植初期，土壤中PAHs起始含量为100 mg/kg的小麦最先出苗，且出苗数最多，随着土壤中PAHs起始含量的增大小麦出苗数逐渐减少，当PAHs起始含量为500 mg/kg时，小麦种子萌发延迟，平均比其他处理和空白对照晚2 d，在种植初期未见出苗。随着时间的增加，出苗数的差异逐渐减小，各浓度之间小麦株高略有差异，但不明显。种植90 d后，测定不同处理小麦生长状况，结果如表4所示。由表4可知，与空白对照相比，不同含量PAHs对小麦生长影响不明显。结果表明，PAHs对小麦初期生长具有明显的影响，对小麦后期生长作用不明显。

表 4　种植90 d后PAHs对小麦生长的影响

土壤中不同含量PAHs对小白菜和小麦生长的影响不同，可能是因为不同植物对有机污染物的耐受性存在差异。在生长初期，小麦和小白菜2种植物幼苗对PAHs的耐受性都较差，均受到了明显的胁迫，但在种植30 d以后，可能由于小麦对PAHs的耐受性优于小白菜，污染物在后期对小麦生长的影响不大，所以小麦全株干质量相差不大；而对于小白菜，PAHs始终影响着其生长，所以在不同PAHs含量处理的土壤中，小白菜全株干质量差异较大。关于小白菜和小麦对PAHs耐受性差异的原因还有待于深入研究。

2.3植物对土壤中萘、菲、芘含量的影响

图3表明，随着时间的延长3组处理土壤中污染物的含量均逐渐减小。0～10 d，土壤中小麦刚开始出苗，对PAHs的减少基本没有贡献，该时间段内土壤中微生物可能还未适应土壤中环境的变化，其对污染物基本不进行代谢，所以3组处理土壤中PAHs含量的减小幅度基本相同，减少可能是挥发、淋溶等非生物损失作用所致。10～20 d，随着时间的延长土壤中微生物逐渐适应新的环境，小麦也开始生长，由于微生物活动和植物吸收、富集的影响，3组处理土壤中PAHs的减少开始出现差异，但差异不大。30 d时，土壤中污染物含量出现明显不同，其中无植物土壤灭菌对照组土壤中萘、菲、芘含量相比于起始含量分别降低了12.04%，5.65%和5.09%，无植物对照组分别降低了11.17%，12.98%和11.49%，而小麦种植组分别降低了20.92%，21.75%和21.23%，可见小麦种植组3种污染物含量减少幅度明显较无植物对照组和无植物土壤灭菌对照组大，其萘、菲、芘的平均残留量较无植物对照组分别降低了9.75%，8.77%和9.96%，较无植物土壤灭菌对照组分别降低了8.88%，16.1%和16.14%。对于无植物土壤灭菌对照组，土壤污染物的减少主要是挥发、淋溶等非生物损失所致；对于无植物对照组，土壤中污染物的减少主要是非生物的损失和土壤中微生物的代谢活动所致[19]。髙彦征等[20]研究表明，植物吸收对寡环PAHs去除的贡献率很小，据此可知对于小麦种植组，土壤中污染物含量减少的主要原因可能是由于该时间段内小麦快速生长，为土壤中微生物提供了生存场所，小麦根系的某些分泌物、脱落物为微生物提供了营养物质，促进了土壤中微生物菌群的生长繁殖，小麦与土壤中微生物的联合作用使种植小麦的土壤中PAHs含量减少得更多[21]。Liste等[22]应用9种植物进行芘污染土壤的修复试验，结果表明，种植9种植物的土壤中芘的降解率均高于无植物对照土壤，这与本试验的研究结果一致。

图 3　不同处理土壤中萘、菲和芘残留量的比较

3结论

1)土壤中寡环PAHs萘、菲、芘的残留量随时间的推移不断降低，且随着PAHs苯环数的增加，其脂溶性增强，在土壤中的残留时间延长，残留量增高。

2)PAHs萘、菲、芘对小白菜的萌发和生长具有明显的抑制作用，在受PAHs污染的土壤中，小白菜的发芽率和全株干质量均明显低于空白对照，且随着PAHs起始含量的增大其发芽率明显降低，全株干质量明显减少。但对小麦而言，当PAHs起始含量为0～100 mg/kg时，对小麦的萌发具有促进作用，当PAHs起始含量超过100 mg/kg时，则对小麦种子萌发表现为抑制作用；PAHs对小麦生长初期影响明显，但在小麦生长后期影响不明显。

3)30 d后，种植小麦的土壤中萘、菲、芘的平均残留量较无植物对照组分别降低了9.75%，8.77%和9.96%，较无植物灭菌对照组分别降低了8.88%，16.1%和16.14%。说明植物的存在对土壤中寡环PAHs的降解具有促进作用。

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Degradation of naphthalene,phenanthrene,and pyrene in soil and their effects on plant growth

LI Yu-long,LIU Yong-jun

(InstituteofEnvironmentalandMunicipal,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,Shaanxi710055,China)

Abstract:【Objective】 This paper aimed to study the degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) including naphthalene,phenanthrene and pyrene in soil along time and their effects on growth of wheat and pakchoi.【Method】 Pot experiments were conducted with wheat and pakchoi.The changes of naphthalene,phenanthrene,and pyrene residual concentrations in soil over time under the different initial contents (0(blank control),50,100,200,and 500 mg/kg)and the influence on seed germination and plant growth were investigated.Effects of planting wheat on concentrations of PAHs were also investigated by comparing three groups of wheat group,no plant control group,as well as no plant and sterilized soil control group.【Result】 When wheat and pakchoi were planted for 90 days,the average residual concentrations of naphthalene,phenanthrene and pyrene were 25.88%,29.84% and 47.25% of their initial concentrations,respectively.The difference between naphthalene and phenanthrene was small while the residue of pyrene was much higher.The residual concentrations of naphthalene,phenanthrene,and pyrene in soil reduced gradually and the concentrations had a decreasing order of pyrene>phenanthrene>naphthalene after 90 days.The germination and growth of pakchoi in contaminated soil were obviously inhibited,and greater PAHs concentrations caused more significant effect.PAHs had different effects on germination and growth of wheat from pakchois.When the initial concentrations of PAHs were 0-100 mg/kg,PAHs had promoting effects on germination of wheat and the inhibitory effect showed up when the concentrations were higher than 100 mg/kg.Compared with CK,the effects of different initial concentrations on wheat growth was not significant.After planting for 30 days,the residual concentrations of naphthalene,phenanthrene and pyrene in wheat field were reduced by 20.92%,21.75% and 21.23% from the initial concentration of 300 mg/kg.Compared to the no plant group,they decreased by 9.75%,8.77% and 9.96% while they decreased by 8.88%,16.10%,and 16.14% compared to no plant and sterilized soil control group.【Conclusion】 The existence of plants improved the degradation of PAHs as the results of interactions of microbe and plants.

Key words:polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs);soil pollution;the residual concentration;plant growth

DOI：网络出版时间:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.014

[收稿日期]2014-08-07

[基金项目]国家自然科学基金项目(51178377)

[作者简介]李玉龙(1989-)，男，云南曲靖人，在读硕士，主要从事污染环境的生物修复研究。E-mail：liyulong_417@163.com[通信作者]刘永军(1969-)，男，陕西西安人，教授，博士生导师，主要从事污水生物处理理论与技术及污染环境的生物修复研究。E-mail：liuyongjun@xauat.edu.cn

[中图分类号]X53

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)03-0096-07