纳米氧化铁与氧化剂对多环芳烃污染农田土壤修复和蔬菜健康风险的影响*

周佳靖 柳修楚 郭 瑾 陈小宇 柴 超 葛 蔚

(1.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.青岛农业大学生命科学学院，山东 青岛 266109)

多环芳烃(PAHs)是环境中最普遍的有机污染物之一[1]，具有较高的遗传毒性与致癌性[2]。PAHs溶解性较差，极易附着于土壤颗粒，因此土壤是PAHs的主要载体[3]。由于难降解的特性，使其在土壤中不断积累，并可通过食物链进入人体并富集[4]。

由于焦化厂、发电厂等企业的排放，其周边农田土壤中PAHs污染越来越严重[5]。已有研究表明，在中国农田土壤中，16种PAHs为3.3～2 750 mg/kg[6]。目前，PAHs污染的农田土壤主要以生物修复技术为主，但生物修复耗时较长，易受环境因素影响。化学氧化修复具有耗时短和效率高的特点，在国内外已获得广泛的运用。常用的氧化剂有H2O2、Fenton试剂及过硫酸盐等[7]。过硫酸盐通过活化作用致使本身的—O—O—断裂产生具有强氧化性的硫酸根自由基，然后通过电子转移方式与目标污染物发生反应，从而降解目标污染物[8]。赵丹等[9]证实，过硫酸钠对PAHs有良好的氧化去除效果。H2O2可催化产生·OH氧化降解有机污染物，王春艳等[10]发现，随着H2O2处理剂量的增加，菲和芘的去除率提高。纳米矿物材料由于具有巨大的表面积、超强的吸附螯合能力和光催化活性，近几年在有机污染修复中受到关注。司雄元[11]发现，土壤中添加纳米矿物可提高对多氯联苯的吸附。此外，半导体纳米氧化铁还可作为光催化剂，利用太阳光可进行有机物的降解[12]。

目前，对于PAHs污染土壤的修复研究中，多是以活化过硫酸钠和类Fenton试剂进行化学修复，采用纳米矿物与氧化技术结合修复PAHs重度污染农田土壤以及修复过程中对蔬菜的影响方面的研究相对较少。因此，本研究以热电厂附近的PAHs污染农田土壤为对象，采用纳米氧化铁和低浓度氧化剂联合技术，考察修复效果以及该技术对蔬菜生长、PAHs富集的影响，为PAHs污染农田土壤修复及蔬菜中PAHs的污染控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 主要供试材料

2017年3月采集某热电厂附近的PAHs污染农田土壤，去除大块石砾、植物根茎，过筛后自然风干。土壤类型为棕壤，pH为5.6，有机质为14.1 g/kg，PAHs为2 438 μg/kg，其中低环(2～4环)、高环(5～6环)PAHs分别为2 324、106 μg/kg。根据MALISZEWSKA KORDYBACH等[13]建立的标准，土壤中16种PAHs<200 μg/kg则可认为是无污染，200～600 μg/kg为轻度污染，600～1 000 μg/kg为中度污染，>1 000 μg/kg为重度污染。因此，该土壤为重度污染土壤。

H2O2、过硫酸钠、纳米氧化铁均为商业产品。

1.2 实验过程

称取3.5 kg供试土壤，按照表1将不同试剂与土壤充分混合均匀后置于盆中，浇灌蒸馏水使土壤充分湿润，播撒小白菜(BrassicachinensisL.)种子。待小白菜长出2～3片叶子后间苗，每盆保留10株。在小白菜生长期间，每隔两天浇灌200 mL蒸馏水，每个处理设置3个重复。待小白菜出苗35 d后，将小白菜挖出，对其株高进行测量，对每株小白菜地上部与地下部分别进行称重、冷冻干燥，研磨充分后取一定量样品对小白菜各部位进行PAHs测定，同时测定各处理土壤中PAHs含量。

表1 不同处理的试剂及其施加量

1.3 测定方法

取2 g土壤样品于玻璃离心管中，加入二氯甲烷超声萃取1 h，4 000 r/min离心10 min，取萃取液3 mL过无水硫酸钠和硅胶层析柱净化，并用15 mL二氯甲烷/正己烷(体积比1∶1)溶液洗脱，收集滤液至旋转蒸发瓶中浓缩至近干，最后用甲醇定容至2 mL，并通过0.22 μm有机滤膜后用于后续测定。蔬菜中PAHs的提取与净化方法参考文献[14]。

土壤与蔬菜中PAHs提取后均采用高效液相色谱紫外/荧光检测器串联的方法检测美国优先控制的16种PAHs[15]，配有SPD-2A紫外检测器、RF-10AXL荧光检测器、CTO-20A柱温箱、LC-20AT低压四元梯度泵、Φ4.6×250 mm Inertsil ODS-P PAHs专用反相色谱柱。流动相为甲醇-水，紫外和荧光均采用波长切换，流速1 mL/min，柱温40 ℃，进样量20 μL。各PAHs均采用五点校准曲线，校准曲线的相关系数均大于0.999。

1.4 质量保证

通过空白实验、基质加标和双平行样控制数据质量。空白中未检出目标化合物。采用双平行样对所有样品进行分析，萘回收率为62.0%，其余15种PAHs回收率均为86.0%±15.0%，相对标准偏差为0.6%～12.4%。每10个样品做1次标准曲线，确定仪器的稳定性和校准曲线。

1.5 致癌风险评价

PAHs相对苯并(α)芘的毒性当量因子通常被用来计算PAHs的健康风险，将其他PAHs转化为苯并(α)芘的毒性当量因子。采用美国环境保护署推荐的终生致癌风险(ILCRs)评价小白菜地上部中PAHs对人体的潜在致癌风险[16]，计算见式(1)[17]，本研究各参数取值参考文献[18]。

ILCRs=Ci×TEFi×Cf×IR×EF×ED×SF×CF/(BW×AT)

(1)

式中：Ci为PAHs质量浓度，μg/kg；TEFi为毒性当量因子；Cf为蔬菜湿质量和干质量之间的转化系数，小白菜取值为0.093；IR为小白菜摄取量，g/d，男性儿童(4～10岁)、男性青少年(11～17岁)、男性成年人(18～60岁)、男性老年人(>60岁)、女性儿童、女性青少年、女性成年人、女性老年人分别为95.4、146.0、173.0、155.0、99.7、132.0、157.0、135.0 g/d；EF为暴露频率，d/a，取365 d/a；ED为暴露时间，a，根据各类人群物理活动和暴露场景有所不同，儿童、青少年、成年人、老年人分别为7、7、43、10 a；SF为致癌斜率因子，kg·d/mg，取7.3 kg·d/mg；CF为转化因子，mg/ng，取10-6mg/ng；BW为体重，kg，儿童、青少年、成年人、老年人分别为23.6、48.0、62.0、62.0 kg；AT为平均寿命，d，取27 740 d。

1.6 数据处理

利用最小显著差法对不同处理中土壤和小白菜中PAHs含量进行方差分析，利用Spearman方法进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对土壤中PAHs及其去除率的影响

由图1可见，处理1～7土壤中PAHs为1 636～2 238 μg/kg，均低于CK(2 338 μg/kg)，其中处理6最低。处理1～3土壤中PAHs随纳米氧化铁施加量的减少而增加，且3个处理之间存在显著差异，表明在一定范围内，纳米氧化铁施加量越多，去除PAHs作用越显著。这可能是由于纳米氧化铁是一种光催化剂，对紫外和可见光具有良好的吸收效应，PAHs在阳光照射下发生直接光降解行为[19]。纳米氧化铁施加量越多，比表面积越大，其表面受光激发产生的光生电子-空穴对也就越多，进而其光催化氧化速率越快，PAHs去除率越高。孙楠[20]的研究也验证了随纳米氧化铁含量的增加，邻苯二甲酸二丁酯降解效率提高。

注：不同字母表示差异显著(p<0.05)，图2和图3同。图1 不同处理下土壤中PAHs质量浓度Fig.1 Mass concentration of PAHs in soil under different treatments

处理6土壤中PAHs低于处理7，说明纳米氧化铁施加量越多，去除PAHs的效果越明显。处理6、7相应与处理1、3对比可见，纳米氧化铁联合H2O2后土壤中PAHs显著降低。这可能是由于氧化铁在光照射下与吸附在催化剂表面的OH-或H2O反应，形成具有强氧化性的·OH，进而与目标物发生反应，纳米氧化铁施加量越高，反应越强烈。

处理4、5土壤中PAHs较高，说明施加过硫酸钠对土壤中PAHs的去除效果较差。王思齐[21]研究发现，纳米Fe3O4和过硫酸盐为2∶1(摩尔比，下同)时苯酚去除率接近100.0%，1∶1时苯酚去除率达到93.5%。YAN等[22]发现，纳米Fe3O4和过硫酸盐为2∶1(摩尔比)时可将水中0.06 mmol/L磺胺间甲氧嘧啶完全降解。本研究中纳米氧化铁和过硫酸钠联合作用后PAHs的去除效果较差，可能是在土壤这一介质中，施加氧化剂后纳米氧化铁释放的Fe3+较难被还原成Fe2+，不能有效活化过硫酸盐，同时也降低了其催化性能，导致去除效果较差。此外，有研究表明，PAHs由于其自身性质易被土壤吸附而难以被洗脱，在氧化处理PAHs污染土壤的过程中，污染物在土壤有机质或固体颗粒物上的吸附直接影响其氧化速率[23]。本研究中纳米氧化铁极强吸附PAHs的能力会阻碍过硫酸钠的氧化速率，这也是PAHs含量高的一个重要因素。

不同处理下土壤中PAHs的去除率见表2。CK通过自然衰减，PAHs去除率达到4.4%；处理6对PAHs的去除效果最好，去除率可达32.9%。处理1～7对土壤中低环PAHs的去除效果优于高环。不同环数的PAHs分子结构不同[24]，能与氧化剂发生不同的反应，低环PAHs在土壤中易挥发和分解，而高环PAHs的脂溶性较强，容易被土壤颗粒吸附，在土壤中的残留度高，较难去除[25]，且苯环越多，分子量越大，越不易被降解。本研究与黎舒雯等[26]的研究结果一致。

2.2 不同处理对小白菜中PAHs及其去除率的影响

由图2可见：各处理小白菜地下部和地上部中PAHs含量呈现相同规律；处理1～7小白菜中PAHs均低于CK；处理6小白菜中PAHs最低，地下部和地上部PAHs分别为783、348 μg/kg。处理4和处理6、处理5和处理7之间小白菜中PAHs含量均存在显著差异，说明相同施加量的纳米氧化铁与不同的氧化剂联合使用的效果是不同的，过硫酸钠处理效果比H2O2差。处理1～3中，随纳米氧化铁施加量的降低，小白菜中PAHs显著升高。焦海华等[27]研究发现，土壤中PAHs含量高，蔬菜中PAHs含量也增加。本研究与此研究结果一致。

表2 不同处理下土壤中PAHs的去除率

小白菜地下部中PAHs高于地上部，这是由于在根毛细胞的作用下，土壤中PAHs进入植株，一部分进入植株地上部的茎叶中，另一部分保留在植株的根部并不断积累，土壤中PAHs被植株吸收后主要富集在植物根部。尹春芹等[28]发现，蔬菜根和茎叶中的PAHs浓度低于土壤中，且根部积累PAHs的浓度显著高于茎叶中，与本研究结果一致。

与CK相比，不同处理下小白菜中PAHs的去除率见表3。处理6中PAHs降低最明显，小白菜地下部和地上部去除率分别为38.8%和38.9%；处理4、5对小白菜中PAHs的去除率最低；处理1～3中，随纳米氧化铁施加量的减少，小白菜中PAHs的去除率降低。小白菜中高环PAHs的去除率总体高于低环，这可能是由于小白菜中PAHs多以富集低环PAHs为主，高环PAHs只占极少部分，因此小白菜中高环PAHs去除率相对高。

2.3 不同处理对小白菜生长的影响

由图3可知，处理4、5的小白菜生长较差，株高和生物量均最低。这可能是由于过硫酸钠与土壤中PAHs发生氧化还原反应的同时与土壤中有机质也发生了氧化还原反应，破坏了土壤的结构，使土壤的综合肥力下降[29]，导致小白菜的生长状况较差。李红兵[30]研究表明，施加过硫酸钠后氧化产生的硫酸盐严重阻碍了黑麦草种子的萌发，且在黑麦草生长过程中，其生物量与氧化前相比没有明显增加。

处理6、7的小白菜长势比处理4、5好，可能是由于研究区土壤pH为5.6，在酸性条件下H2O2反应产生的·OH会氧化降解有机污染物。杨志峰等[31]研究表明，土壤中芘浓度越高，辣椒的株高和生物量越低。因此，施加H2O2降低土壤中PAHs后有利于小白菜的生长。

处理1～3中，随纳米氧化铁施加量减少，小白菜株高和生物量均降低。表明纳米氧化铁施加量的减少，土壤中PAHs提高，进入小白菜内的PAHs升高，小白菜生长变差。邢维芹等[32]研究表明，PAHs对冬小麦地上部的生长有影响。刘秀梅等[33]发现，纳米氧化铁能促进铁在植株内由根部到地上部的移动，有助于新生叶片对铁的吸收和利用，促进花生生长。这也是施加纳米氧化铁后，处理1～3小白菜生长均好于CK的原因之一。

图2 不同处理下小白菜中PAHs质量浓度Fig.2 Mass concentration of PAHs in the pakchoi under different treatments

表3 不同处理下小白菜中PAHs的去除率

图3 不同处理下小白菜的株高及生物量Fig.3 Plant height and biomass of pakchoi under different treatments

表4 不同处理下小白菜地上部中PAHs的ILCRs

2.4 不同处理对健康风险的影响

由表4可见：处理1～3中，随纳米氧化铁施加量减少，ILCRs升高；处理6更有利于降低小白菜地上部的潜在致癌风险，男性儿童、男性青少年、男性成年人、男性老年人、女性儿童、女性青少年、女性成年人、女性老年人的ILCRs分别为1.04×10-6、0.78×10-6、4.38×10-6、0.90×10-6、1.08×10-6、0.70×10-6、3.97×10-6、0.78×10-6，而处理4对小白菜地上部潜在致癌风险降低程度较小；处理1～7中ILCRs均低于CK；成年人ILCRs远高于其他年龄段。一般认为，终身致癌风险低于10-6被认为没有风险或风险可忽略，10-6～10-4则被认为存在潜在风险[34]。经处理1和处理6修复后，小白菜地上部中PAHs对青少年和女性老年人的潜在致癌风险不再存在。

3 结 论

(1) 处理6对土壤、小白菜中PAHs的去除效果最好，土壤中PAHs去除率可达32.9%，小白菜地下部和地上部PAHs去除率分别为38.8%和38.9%。土壤中低环PAHs的去除率高于高环PAHs，小白菜中高环PAHs的去除率总体高于低环。

(2) 纳米氧化铁和过硫酸钠联合修复对小白菜生长存在抑制作用，小白菜的株高和生物量均较低。

(3) 成年人ILCRs远高于其他年龄段。经处理1和处理6修复后，小白菜地上部中PAHs对青少年和女性老年人的潜在致癌风险不再存在。