魏麗瓊，呼世斌，王嬌嬌，柴琴琴，劉晉波，王夢柯，史　超

（西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊陵712100）

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甜菜牧草體系對土壤中4種鄰苯二甲酸酯的修復研究

魏麗瓊，呼世斌*，王嬌嬌，柴琴琴，劉晉波，王夢柯，史超

（西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊陵712100）

摘要：通過室內盆栽試驗，研究了甜菜與黑麥草、苜蓿、蘇丹草分別間作及4種植物各自單作對土壤中鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸丁基芐基酯（BBP）和鄰苯二甲酸（2-乙基己基）二酯（DEHP）4種鄰苯二甲酸酯類（PAEs）的植物修復效果。結果表明：與空白對照相比，種植植物的修復效果更好；苜蓿單作與間作都有較好的修復效果，其中甜菜/苜蓿間作PAEs的去除率最高，可達66.48%；植物單作與間作相比，間作的修復效果高于單作，間作增強土壤中過氧化氫酶和磷酸酶的活性，從而促進了根際微生物對PAEs的降解；就單一污染物來說，DBP和DEHP在污染土壤和植物莖葉中的濃度較其他兩種污染物高，兩者在土壤中的去除率也較高，其中DEHP為最高，均可達50%以上，DBP的去除率也在40%以上；DEHP在植物莖葉中的生物富集系數(shù)明顯較低，且單作低于間作，而DBP和BBP的生物富集系數(shù)較高。可選擇苜蓿作為土壤中PAEs修復的一種高效修復植物，植物間作相對于單作有更好的修復效率，也可更高效地利用土地資源，因此可優(yōu)先選擇作為植物修復的一種種植模式。

關鍵詞：鄰苯二甲酸酯（PAEs）；植物修復；土壤；間作

魏麗瓊，呼世斌，王嬌嬌，等.甜菜-牧草體系對土壤中4種鄰苯二甲酸酯的修復研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（6）：1097-1102.

WEI Li-qiong，HU Shi-bin，WANG Jiao-jiao，et a1. Phytoremediation of 4 Phtha1ic acid esters in contaminated soi1 by beet-grass system［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（6）：1097-1102.

隨著人們對化學物品的依賴程度越來越高，環(huán)境中的有機物污染情況也越來越嚴重。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）1990年的報告指出，每年大約有3億～4億t有機物進入環(huán)境，而其中的大部分都進入了土壤環(huán)境，土壤成為了有機污染物的最大受體［1］。鄰苯二甲酸酯（又名酞酸酯，簡稱PAEs）是一類化學添加劑，被廣泛用作塑料增塑劑，用以增加塑料的可塑性和柔軟度［2-4］。由于PAEs與塑料基質之間沒有形成化學鍵，而是以氫鍵與范德華力聯(lián)結，彼此保留各自相對獨立的化學性質［5］，隨著時間的推移，PAEs會向周圍空氣環(huán)境中釋放與轉移，或者接觸到合適的有機溶劑也會溶解出來，進入各類環(huán)境介質。土壤中PAEs污染來源十分廣泛，如農(nóng)膜殘留、污泥施用、農(nóng)藥和肥料使用、生活垃圾和污水灌溉等均能引起土壤PAEs污染［6-8］。PAEs易與土壤有機質結合，不僅會直接影響土壤質量和生產(chǎn)功能，更嚴重的是PAEs通過食物鏈富集，對人體健康造成威脅［9］。PAEs在人體和動物體內發(fā)揮著類似雌性激素的作用，可干擾內分泌，還具有致癌、致畸、致突變作用。因此對PAEs污染土壤的治理很有必要。

目前，對土壤中有機污染物的修復方法有物理修復、化學修復、電化學修復、生物修復等，生物修復技術因具備投資成本低、無二次污染、兼具保護生態(tài)和美化環(huán)境的功能等優(yōu)點，且在修復土壤中重金屬與有機物上已取得可觀成果，更是備受重視［10-11］。土壤植物修復是指利用植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的特性，或利用植物及其根際微生物體系將污染物降解、轉化為無毒或低毒物質的方法。黑麥草、苜蓿和蘇丹草是3種牧草，多作為土壤中有機污染物的修復植物，甜菜作為經(jīng)濟作物，具有發(fā)達的塊狀根，根系分泌物含量豐富，可影響土壤碳、氮代謝和酶活性［12］，甜菜/牧草間作修復土壤中PAEs的研究至今還未見報道。本研究利用甜菜和3種牧草（黑麥草、苜蓿、蘇丹草）單作與間作，比較了不同種植模式對土壤中4 種PAEs的修復效果，以及不同種植模式下不同植物對4種污染物的吸收與富集，并分析了不同種植模式下土壤中過氧化氫酶和磷酸酶的變化，擬篩選出修復效果較好的植物和種植模式，為土壤中PAEs的污染修復提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供試土壤

供試土壤由土壤和污泥堆肥而成的有機肥混合而成。土壤采自陜西楊凌示范區(qū)穆家寨農(nóng)田表層土壤（0～20 cm），類型為褐土類。有機肥取自西安高陵某污泥堆肥廠。采回后的土壤與有機肥自然風干，過5 mm篩后備用，以確保土壤的質地適合植物生長。有機肥的加入是為了提高土壤肥力，使植物能更好地生長，沒有外加4種PAEs污染物。供試土壤的基本理化性質：全氮10.5 g·kg-1，全磷0.16 g·kg-1，全鉀1.26 g·kg-1，有機質7.24 g·kg-1，PH7.12；土壤中4種PAEs的初始濃度：鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）2.081 mg·kg-1、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）5.893 mg·kg-1、鄰苯二甲酸丁基芐基酯（BBP）1.295 mg·kg-1、鄰苯二甲酸（2-乙基己基）二酯（DEHP）8.487 mg·kg-1。

1.1.2供試植物

試驗選擇了甜菜、黑麥草、蘇丹草和苜蓿作為供試植物。

1.1.3試劑與儀器

儀器：KQ-300DE醫(yī)用數(shù)控超聲波清洗器，LABOROTA 4000旋轉蒸發(fā)儀，高效液相色譜儀（920-LC），帶二極管陣列（PDA）檢測器（HPLC，美國varian公司），弗羅里硅土固相萃取柱。試驗過程避免使用任何塑料制品，所有玻璃儀器使用前用超純水、丙酮多次清洗，置于馬弗爐中450℃烘烤2～4 h。

鄰苯二甲酸酯標準溶液：DEP、DBP、BBP、DEHP濃度均為2000 μg·mL-1，購自美國Sigma-A1orich公司。丙酮、正己烷、二氯甲烷、乙腈均為色譜純（國藥化學試劑有限公司）。

1.2試驗方法與設計

本試驗在西北農(nóng)林科技大學智能玻璃溫室內進行，為期90 d。植物種子購自網(wǎng)上，種植之前先用生根劑浸泡1～2 d。試驗用盆：木板自制試驗用盆，高×寬× 長=60 cm×30 cm×30 cm。土壤和有機肥以質量比9∶1混合均勻，放置一周后再開始種植植物。

植物種植方式為甜菜（T）、黑麥草（H）、苜蓿（M）和蘇丹草（S）分別單作，苜蓿/甜菜（MT）、蘇丹草/甜菜（ST）、黑麥草/甜菜（HT）間作，每組設3個平行。種植15 d后，當所有種子均發(fā)芽后進行間苗，篩選長勢良好的植株，間作處理每盆甜菜2株、牧草7株，單作處理每盆甜菜4株、牧草14株。同時設計無植物種植的作為空白對照（CK）。植物種植以后，根據(jù)缺水情況不定期澆水，通風，保持光照和濕度，保證植物正常生長。

1.3樣品采集

90 d后收獲植物，測定株高。然后將植株分地上、地下部分收獲并用去離子水沖洗干凈。將所有植物樣品裝入信封中，在65℃下烘至恒重，測定干物質質量。烘干的植物樣用瑪瑙研缽磨細，過60目篩，放于冰箱（4℃）中備用。采集土樣，自然風干，研磨后過100目篩，放在密封玻璃瓶中保存。

1.4測定方法

供試土壤的基本理化性質采用常規(guī)分析方法測定［13］。

土樣中鄰苯二甲酸酯測定方法：稱取土樣10.00 g（或1.00 g植物樣品），加入三角瓶中，用30 mL二氯甲烷-丙酮（1∶1，V/V）混合溶液分兩次（每次15 mL）超聲提取樣品，每次萃取15 min，合并提取液，用旋轉蒸發(fā)儀在40℃濃縮近干，用正己烷定容至2.0 mL。

提取液凈化：取F1orisi1小柱（500 mg，6 mL，玻璃小柱），用5 mL丙酮和5 mL二氯甲烷活化后，加入樣品濃縮液，用15 mL二氯甲烷-丙酮（9∶1，V/V）混合液進行洗脫，收集洗脫液，于40℃下旋轉蒸發(fā)近干，用正己烷定容至2.0 mL，換成甲醇相，氮吹至1 mL定容，備用。

色譜條件：

反相分析柱：Pursuit XRs C18不銹鋼柱（50 mm× 2.0 mm×2.8 μm）；流動相A為水，B為乙腈；梯度洗脫程序：0～5 min，30%A，70%B；5～6 min，70%B升到100%B；6～12 min，100%B；流速0.2 mL·min-1，柱溫35℃，紫外波長225 nm，進樣量2 μL。

土壤中過氧化氫酶與磷酸酶的測定方法參照文獻［14］。

1.5質量控制和質量保證

實驗過程中，每組實驗做3個平行，同時進行一個全程序空白，以監(jiān)測實驗過程中所用儀器、試劑的清潔程度及人為干擾的影響因素。實驗對PAEs測定過程中的提取條件（如萃取劑、萃取劑體積和比例、超聲時間、層析柱類別等）進行了優(yōu)化選擇，優(yōu)化后測定方法的回收率、相對標準偏差和檢出限如表1所示。

表1　PAEs測定方法的加標回收率、相對標準偏差和檢出限Tab1e 1 Recoveries，RSD and MDL of PAEs determination method

1.6數(shù)據(jù)分析

4種PAEs單一去除率的計算為：

R=（Cac-Cat）/Cac×100%

總PAEs的去除率為4種PAEs的單一相對去除率之和，4種PAEs的單一相對去除率的計算為：

r=R×（Cac/Ctc）×100%

式中：R為單一PAEs的去除率；r為單一PAEs的相對去除率；Cat為土壤中殘留的單一PAEs的濃度，mg· kg-1；Cac為土壤中單一PAEs的初始濃度，mg·kg-1；Ctc為土壤中總PAEs的初始濃度，mg·kg-1。

4種PAEs生物富集系數(shù)的計算為：

BCF=Cp/Ct×100%

式中：Cp為植物體內的單一PAEs的濃度，mg·kg-1；Ct為土壤中單一PAEs的初始濃度，mg·kg-1。

所有數(shù)據(jù)都通過Microsoft Exce1 2003和SPSS軟件處理。

2　結果與討論

2.1土壤中4種PAEs的濃度和去除率

與初始濃度相比，不同試驗種植模式對土壤中4種目標污染物都有一定程度上的去除，不同的種植模式之間存在著差異（圖1）。與空白對照相比（表2），種植植物的修復效率明顯較高，說明了植物修復的可行性。

圖1　土壤中PAEs的初始濃度與修復后濃度對比Figure 1 Concentrations of 4 PAEs comPounds in soi1 under different treatments

單作中，苜蓿單作對4種PAEs的去除效果最好，對DEHP的去除率最高，可達71.69%，4種PAEs的總去除率達到60%以上，其他不同處理的總去除率也達到了46%以上；間作中，苜蓿/甜菜間作對4種PAEs的去除效果最好，總去除率高達66.48%；不同處理間去除效率表現(xiàn)為苜蓿/甜菜（66.48%）＞黑麥草/甜菜（61.45%）＞苜蓿（60.44%）＞蘇丹草/甜菜（57.72%）＞黑麥草（53.63%）＞蘇丹草（50.55%）＞甜菜（46.08%）。其中，甜菜的去除率最低，因為甜菜根部為塊根狀，比表面積較小，與污染物接觸面積小，從而影響了其對污染物的吸收效果。苜蓿/甜菜間作以及苜蓿單作在該研究中都能較好地去除土壤中的PAEs，表明苜蓿在植物修復中的作用極大。苜蓿是豆科植物，可以形成固氮根瘤菌共生關系，通過增加根際氮供應以促進植物生長并加速微生物增殖；其次，植物的地上部生物量使它們對總PAEs有更高的去除效率（圖1和表3）；最后，PAEs化合物可以更容易地被豆科植物通過它們根部脂質轉移蛋白的手段吸收，如苜蓿親脂性。Ma等［15］研究了單作和間作紫花苜蓿、黑麥草和高羊茅草對土壤中6種PAEs的植物修復，PAEs總量的80%被去除，3種植物間作和苜蓿單作對土壤中PAEs的去除效果最好。與單作相比，間作的去除效果較好。以往的研究也表明，不同的修復植物物種的間作與單作相比，間作在去除有機污染物（如多環(huán)芳烴）方面有明顯的優(yōu)勢［16］，間作增強了植物根際微生物的交互作用，促進了植物生長（表3），提高植物對污染物的提取以及促進了植物對有機污染物的降解。Ma等［17］在中國西部電子垃圾廢棄地區(qū)單作和間作紫花苜蓿、海州香薷、景天屬植物，比較它們對受污染土壤的修復能力，結果表明：間作增強土壤中PAEs的去除效果，增加土壤微生物量和微生物功能多樣性，苜蓿的嫩枝和根比其他兩種植物吸收更多目標污染物。

表2　不同處理土壤中PAEs的去除率（%）Tab1e 2 Percentages of 4 PAEs comPounds removed from tested soi1 under different treatments（%）

單一污染物的去除率表現(xiàn)出了很大的差異（圖2），4種污染物在不同種植模式下的去除率由高到低為DEHP＞DBP＞DEP＞BBP，其中DEHP去除率最高，單一去除率最高可達75.19%，BBP去除率最低，兩者的去除率之差都在20%以上，最大相差32.85%；其次，DBP的去除率較高，單一去除率最高可達63.00%左右。DEHP和DBP是污染土壤中PAEs的主要組成部分（圖1），分別占PAEs總量的47.81%和33.20%。苜蓿單作和間作對DBP和DEHP的去除率差別不大，黑麥草和蘇丹草的間作與單作對DBP的去除有較大差異。

表3　植物株高和地上部分生物量Tab1e 3 Height and aboveground biomass of tested P1ants

圖2　土壤中PAEs的去除率Figure 2 Percentages of 4 PAEs comPounds removed from tested soi1 under different treatments

2.2植物莖葉中PAEs的濃度

4種目標污染物在不同植物莖葉中的總濃度有極大的不同，從0.35 mg·kg-1到0.66 mg·kg-1（圖3）。與間作相比，單作的植物莖葉中污染物的濃度較高，而從土壤中污染物的去除率比較來看，間作的去除率高于單作，說明植物吸收只是去除土壤中污染物的途徑之一，間作植物污染物含量低，再利用的可能性也較大。單作的苜蓿莖葉中積累了最高的目標污染物，間作的苜蓿與其他間作植物相比也表現(xiàn)出了最高的積累量，說明無論是間作還是單作，苜蓿更適合用于土壤中PAEs的植物修復，影響修復能力的最主要因素可能是它地上部分生物量（表3）。苜蓿強大的根系，大的葉面積，高根部脂肪量，尤其是根瘤菌，對修復有較大貢獻。從單一污染物來說，植物莖葉中DBP 和DEHP的濃度較高，其中單作中DBP的濃度最高，其次是DEHP，而對于間作來說，DEHP的濃度略高于DBP。

圖3　不同處理的植物莖葉中PAEs的濃度Figure 3 Concentrations of 4 PAEs comPounds in P1ant shoots under different treatments

2.3植物莖葉中的生物富集系數(shù)（BCF）

比較不同植物莖葉中污染物的生物富集系數(shù)，表明直接吸收和新陳代謝可能是土壤中PAEs修復降解的主要機制。所有植物樣品中，苜蓿單作莖葉的生物富集系數(shù)最大（圖4），苜蓿大的莖葉可能增加了它吸收PAEs到地上部分的能力；間作與單作相比，單作中植物的生物富集系數(shù)高于間作，說明植物間作套種減少了植物對有機污染物的吸收，從而降低了植物體內污染物的危害。不同種植模式下DEHP的生物富集系數(shù)都明顯較低，且單作低于間作；DBP 和BBP的生物富集系數(shù)較高，在單作中表現(xiàn)明顯，可能與污染物烷基鏈長有關，DBP和BBP相較DEHP的烷基鏈較短，短鏈PAEs易于發(fā)生轉移，從植物根部轉移至莖葉，而長鏈的DEHP不易發(fā)生轉移，容易在根部積累。

圖4　植物莖葉中污染物的生物富集系數(shù)Figure 4 BCFs of 4 PAEs comPounds in P1ant shoots under different treatments

2.4不同處理下土壤中磷酸酶和過氧化氫酶活性的變化

土壤酶活性不僅易受土壤環(huán)境中的物理、化學及生物因素的影響，而且也能反映出土壤微生物的總體活性，因此常被作為指示土壤污染的重要生物活性物質之一［18］。在植物修復過程中，酶對土壤污染物的修復作用有明顯優(yōu)勢。其主要機理是通過微生物酶的作用將土壤中的有機污染物分解轉化成為簡單的無機物，以達到凈化土壤的目的。同樣，植物的存在促進了生物化學反應中酶的能力。土壤酶類參與土壤中大部分復雜的生物化學過程，起到高效催化作用。

甜菜根際可以分泌磷酸酶，磷酸酶將生長環(huán)境中的有機磷分解為無機磷后被植物吸收利用［19］。過氧化氫酶是在生物呼吸和有機物的生物化學氧化反應過程中形成的，對土壤有機質分解和轉化起著重要作用，同時它能促進H2O2分解，有利于防止H2O2對生物體的毒害作用。因此通過探討不同種植模式的土壤中過氧化氫酶和磷酸酶的活性，可以比較全面地了解PAEs對土壤酶活性的影響及過氧化氫酶在PAEs降解過程中所起的作用。

如圖5所示，土壤中磷酸酶的活性相差不大，其中黑麥草單作和苜蓿/甜菜間作的磷酸酶活性較高，種植甜菜對土壤磷酸酶的影響相差不大，可能是由于該濃度的土壤污染物抑制了甜菜分泌磷酸酶；苜蓿/甜菜間作土壤中過氧化氫酶的活性最高，可能是兩種植物在土壤生化過程中共同作用，改善了根際生態(tài)環(huán)境和土壤質量，提高了根際微生物群落的新陳代謝活動，使植物根系和微生物分泌釋放了更多的過氧化氫酶，從而促進PAEs的降解。與空白對照相比，種植植物的土壤磷酸酶和過氧化氫酶都明顯較高，說明種植植物促進了土壤中酶的活性。

圖5　土壤中磷酸酶和過氧化氫酶的活性Figure 5 Activities of PhosPhatase and cata1ase in soi1 under different treatments

3　結論

（1）與空白對照相比，種植植物對土壤中PAEs的修復效果更好；苜蓿單作與間作均取得了較好的修復效果；間作與單作相比，間作的修復效果較好。

（2）就單一污染物來說，DBP和DEHP是污染土壤的主要組成部分，在土壤中的去除率也較高，且其中DEHP為最高；植物莖葉中DBP和DEHP的濃度較高，其中單作中DBP的濃度最高，其次是DEHP，而對于間作來說，DEHP的濃度略高于DBP。

（3）DEHP的生物富集系數(shù)明顯較低，且單作低于間作；DBP和BBP的生物富集系數(shù)較高，在單作中表現(xiàn)明顯。

（4）各處理間磷酸酶的活性相差不大，苜蓿/甜菜間作土壤中過氧化氫酶的活性最高。與空白對照相比，種植植物的土壤磷酸酶和過氧化氫酶都明顯較高。

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Phytoremediation of 4 phthalic acid esters in contaminated soil by beet-grass system

WEI Li-qiong，HU Shi-bin*，WANG Jiao-jiao，CHAI Qin-qin，LIU Jin-bo，WANG Meng-ke，SHI Chao
（Co11ege of Natura1 Resources and Environment，North West A&F University，Yang1ing 712100，China）

Abstract：A Pot exPeriment was conducted to study the Phytoremediation of 4 Phtha1ic acid esters（DEP，DBP，BBP and DEHP）by different P1anting Patterns with beet and 3 grasses（ryegrass，sudangrass and a1fa1fa）in contaminated soi1. Greater reduction of Phtha1ic acid esters was observed in treatments with P1ants than without P1ants，and in intercroPPing than monocu1ture. A1fa1fa monocu1ture and intercroPPing both had better remediation effects than other P1ants did. Beet/a1fa1fa intercroPPing removed over 65%of PAEs. IntercroPPing enhanced the activities of cata1ase and PhosPhatase in soi1，thus Promoting the degradation of PAEs. In both soi1 and the shoots of the tested P1ants，DEHP and DBP had much higher concentrations than the other PAEs studied did. Their remova1 efficiencies were a1so higher，with DEHP greater than 50%and DBP over 40%. Bioconcentration factor（BCF）of DEHP was significant1y 1ow in the shoots of the tested P1ants，whi1e that of DBP and BBP was high. A1fa1fa cou1d be used as a Phytoremediator of Phtha1ic acid esters in soi1. P1ant intercroPPing wou1d Provide greater remediation efficiency than monocu1ture.

Keywords：Phtha1ic acid esters（PAEs）；Phytoremediation；soi1；P1ant intercroPPing

中圖分類號：X53

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）06-1097-06 doi∶10.11654/jaes.2016.06.011

收稿日期：2015-11-23

基金項目：污灌區(qū)重金屬-有機物復合污染土壤修復技術研究，科技部“863”子課題（2012AA101404）

作者簡介：魏麗瓊（1990—），女，河南鞏義人，碩士研究生，主要研究土壤中有機污染物的修復。E-mai1：708903514@qq.com

*通信作者：呼世斌E-mai1：1326801980@qq.com