PAHs污染土壤植物修复机理研究

论文摘要

过去几个世纪以来，人口的迅速增长、矿产的开采、工业化进程的加快等原因，使得土壤环境遭受了严重污染。多环芳烃（Polycyclic AromaticHydrocarbons，PAHs）是一类广泛分布于土壤环境中的持久性有机污染物，对全球的农产品质量和人体健康构成威胁。因此，对被PAHs污染的土壤进行修复势在必行。相比较传统修复技术而言，植物修复技术是一种极具潜力的土壤有机污染物修复技术，成本低，且对环境友好。实验室研究表明，植物修复技术可以显著促进土壤中PAHs的去除，但较为深入的机制并没有得到很好的阐述。虽然植物修复技术相对于其他修复技术具有许多优势之处，但是，由于PAHs较低的水溶性以及土壤颗粒对其具有强吸附性，土壤植物修复的效率始终受到限制。在本论文中，我们考察了不同植物及其组合对PAHs的去除效率，研究了PAHs在高羊茅根际的去除机理，同时，通过添加表面活性剂强化修复PAHs污染土壤实验，研究了表面活性剂对PAHs去除效率的影响，本论文的相关试验结果可为植物修复技术在PAHs污染土壤中的实际应用提供理论基础。本研究成果可归纳如下。（1）考察了四种植物（高羊茅，黑麦草，紫花苜蓿和甘蓝型油菜）单一盆栽种植或组合种植对PAHs添加污染土壤的植物修复效率。经过65天的植物生长后，测定植物生物量、脱氢酶等参数。结果表明，所添加浓度下PAHs对所有植物的生长均具有一定的抑制作用，其中对苜蓿生长抑制作用最为明显，相对于无PAHs添加对照植物生物量减少35％，油菜对PAHs表现出最大的耐性。相对于无植物对照，种植植物后土壤中水溶性酚显著提高，含量达到3.71-5.63 ug g-1，分别比对照高出1.05-1.68倍。植物盆栽处理也提高了土壤的脱氢酶活性。相对于无植物对照，植物处理强化了土壤中PAHs的去除。各植物对PAHs的去除率有所差异，油菜处理PAHs去除率最高（菲和芘去除率分别为98％和86％），其次是黑麦草和高羊茅，苜蓿去除率最低，菲和芘去除率分别为97％和79.8％。植物组合盆栽处理进一步提高了这种强化效果，高羊茅和油菜组合处理PAHs去除率最高，菲和芘去除率分别达到99.1％和95.7％。相关分析表明，不同的植物组合处理中土壤中的生物活性（脱氢酶活性和水溶性酚总量）与土壤中残余的菲、芘量之间具有非常好的负相关关系（P＜0.01）。本节结果表明，采用这四种植物对PAHs污染土壤进行植物修复是可行的，不同植物组合栽培可进一步提高植物修复能力。（2）添加不同浓度梯度的PAHs(菲，11-344 mg kg-1，芘15-335 mg kg-1)，较细致地考察了高羊茅对PAHs污染土壤的植物修复潜力。通过分析植物生物量、土壤微生物计数、脱氢酶活性、水溶性酚总量，微生物群落结构等参数，探讨了高羊茅修复土壤PAHs的可能机理。结果表明，较低浓度PAHs不影响植物的生物量，但是随着浓度升高，可观察到生物量明显降低，最高浓度下植物生物量减少至无PAHs添加对照的53.5％（茎）和29.7％（根）。相对于无植物对照，植物处理显著提高了微生物量，水溶性酚类物质量，脱氢酶活性，PAHs去除率显著提高。进一步分析PCR-DGGE结果，植物处理Shannon指数值为3.65-3.79，显著高于无植物处理（3.51-3.68），表明植物处理增加了土壤中的微生物群落结构多样性；同时本研究结果也显示，随着PAHs浓度升高，微生物群落结构多样性降低。植物处理65天后，土壤中菲的去除率为91.70-97.78％，芘的去除率为70.80-89.97％，相对于无植物处理，菲和芘去除率分别提高了1.88-3.19％和8.85-20.69％。综合以上结果分析，土壤中PAHs的去除可能是源于根际土壤生物活性的提高，从而使得PAHs的去除率显著提高。（3）研究了高羊茅对菲和芘的吸收和累积，以考察其对根际PAHs去除效率的贡献。结果表明，对于菲和芘初始浓度分别为199.97 mg kg-1和199.34 mg kg-1的污染土壤，植物盆栽处理65天后，根吸收因子（Root concentration factors，RCFs）分别为0.33-0.46和0.56-1.21，茎吸收因子（shoot concentration factors，SCFs）分别为0.15-0.22和0.017-0.083。茎中的菲、芘累积主要来源于根部；尽管茎部也会从大气中吸收菲、芘，但从对照处理可见，菲、芘并没有从茎部向根部迁移。通过植物吸收累积途径去除的PAHs量占PAHs总去除量的0.10-1.42％（菲）和0.18-2.04％（芘）。由此说明，植物根际土壤中PAHs的主要去除途径是生物去除而不是植物吸收累积。本文的结果也表明，生长于PAHs污染土壤中的植物体中会累积一定量的污染物，因此，对于修复后的植物或生长于污染场地的农作物需妥善处理，以防止污染物进入食物链。（4）采用盆栽试验方法，研究了添加非离子表面活性剂（Tween 80、Triton x-100），生物表面活性剂（大豆卵磷脂）以及随意甲基化-β-环糊精（RAMEB）四种表面活性剂对高羊茅修复PAHs（芘）污染土壤的影响。芘初始浓度为243 mgkg-1，不同表面活性剂添加浓度设置5个梯度，分别为0，200，600，1000和1500mg kg-1，同时，设置无植物、不添加表面活性剂及灭菌等对照处理，盆栽60天后收获植物进行植物生物量测试和PAHs残留分析。结果显示，相对于不添加表面活性剂对照，4种表明活性剂添加后均显著提高了植物生物量。在不遮光灭菌和遮光灭菌对照处理情况下PAHs损失量分别为3.9％和3.2％，证明根际土壤中的PAHs去除主要是生物降解作用，光解与挥发作用较小。相对于不添加表面活性剂对照，所有的表面活性剂均显著提高了芘的去除率。在种植植物情况下，RAMEB添加后芘的去除率强化作用最为明显，去除率为无RAMEB添加对照的1.40-1.80倍，其次是Triton x-10，芘去除率为无Triton x-10添加对照的1.34-1.66倍。表面活性剂强化PAHs的去除主要是因为增加了PAHs在土壤中的微生物可利用性。研究表明，添加表面活性剂能够提高PAHs污染土壤的植物修复效率。

论文目录

• THWSIS RELEASE CERTIFICATE
• CERTIFICATION
• Acknowledgments
• Table of contents
• List of Tables
• List of Figures
• Abstract in English
• Abstract in Chinese
• Chapter 1 General Introduction
• Chapter 2 Literature review
• 2.1.Polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs）
• 2.1.1 Occurrence in the environment
• 2.1.2.PAH fate and risks to ecosystems
• 2.2 PAH remediation methods
• 2.2.1.Physical and chemical methods
• 2.2.2 Bioremediation technologies
• 2.2.2.1 Land farming
• 2.2.2.2 Composting
• 2.2.2.3 Bioreactors
• 2.2.2.4 Phytoremediation
• 2.2.2.4.1.Advantages of phytoremediation
• 2.2.2.4.2 Different Types of Phytoremediation
• 2.3.Factors affecting the phytoremediation of Organic pollutants
• 2.3.1 Soil properties
• 2.3.2.Plant types
• 2.3.3 Physiochemical properties of pollutants
• 2.3.4 Soil amendments
• 2.4.Mechanisms of Phytoremediation of organic pollutants
• 2.5 Phytoremediation of PAHs
• 2.6 Strategies to enhance the PAH phytoremediation process
• 2.6.1.Rhizoremediation
• 2.6.2.Bioaugmentation
• 2.6.3.Biostimulation
• 2.6.4.Surfactant addition
• 2.6.5.Multiple process integration
• Chapter 3 Degradation of phenanthrene and pyrene in spiked soils by single and combined plants cultivation
• 3.1.Background
• 3.2.Materials and methods
• 3.2.1.Chemicals
• 3.2.2.Soil
• 3.2.3.Experimental design
• 3.2.4.Analytical methods
• 3.2.4.1.Plant Biomass
• 3.2.4.2.Dehydrogenase activity
• 3.2.4.3.Water-soluble phenols
• 3.2.4.4.PAH analysis
• 3.2.5.Statistical analysis
• 3.3.Results and discussion
• 3.3.1.Plant biomass
• 3.3.2.Water-soluble phenolic compounds （WSP compounds）
• 3.3.3.The response of dehydrogenase activity
• 3.3.4.Dissipation of phenanthrene and pyrene in soil
• 3.4.Conclusions
• Chapter 4 Enhancement of Phenanthrene and Pyrene Degradation in Rhizosphere of Tall Fescue （Festuca arundinacea）
• 4.1 Background
• 4.2.Materials and methods
• 4.2.1.Chemicals
• 4.2.2.Soil
• 4.2.3.Experimental design
• 4.2.4.Sampling
• 4.2.5.Analytical methods
• 4.2.5.1.Plant Biomass
• 4.2.5.2.Microbial numbers
• 4.2.5.3.Dehydrogenase activity
• 4.2.5.4.Water-soluble phenols
• 4.2.5.5.DNA extraction and purification
• 4.2.5.6.PCR-DGGE microbial community analysis
• 4.2.5.7.Analysis of DGGE patterns
• 4.2.5.8.PAH analysis
• 4.2.6.Statistical analysis
• 4.3.Results and discussion
• 4.3.1.The biomass of tall fescue
• 4.3.2.Microbial number
• 4.3.3.Water-soluble phenolic compounds （WSP compounds）
• 4.3.4.The response of dehydrogenase activity
• 4.3.5.Bacterial Diversity
• 4.3.6.The residual concentrations and the removal rate of PAHs
• 4.4.Conclusions
• Chapter 5 Uptake, accumulation and translocation of phenanthrene and pyrene by plants
• 5.1.Background
• 5.2.Materials and methods
• 5.2.1.Chemicals
• 5.2.2.Experimental design
• 5.2.3.PAH analysis
• 5.2.4.Statistical analysis
• 5.3.Results and Discussions
• 5.3.1.Root uptake and accumulation of phenanthrene and pyrene
• 5.3.2.Shoot uptake and accumulation of phenanthrene and pyrene
• 5.3.3.Plant translocation of phenanthrene and pyrene
• 5.3.4.Contribution of plant uptake and accumulation to the enhanced dissipation by plants
• 5.4.Conclusions
• Chapter 6 Effect of surfactants on pyrene degradation in the rhizosphere of tall fescue（Fesctuca arundinacea）
• 6.1 Background
• 6.2.Materials and methods
• 6.2.1.Chemicals
• 6.2.2.Preparation of pyrene contaminated soil
• 6.2.3 Experimental design
• 6.2.4.Analytical methods
• 6.2.4.1.Plant Biomass
• 6.2.4.2.Dehydrogenase activity
• 6.2.4.3.PAH analysis
• 6.2.5.Statistical analysis
• 6.3.Results and discussion
• 6.3.1.Biomass yields affected by different treatments
• 6.3.2.Changes in Dehydrogenase activity in soil
• 6.3.3.Removal of PAHs from soil
• 6.4.Conclusions
• Chapter 7 Conclusions and Prospects
• 7.1.Conclusions
• 7.2.Prospects
• References
• Curriculum Vitae