PAHs污染土壤植物修复的根际效应及机制
多环芳烃(PAHs)是一种典型的持久性有机污染物,主要来源于人类活动和能源利用过程。因其结构稳定、水溶性差、土壤附着能力强,且具有较强的“三致”效应,严重威胁着生态环境、食品安全和人类健康。有关PAHs污染土壤的修复研究已成为国内外土壤和环境科学届共同关注的研究热点之一。
PAHs污染土壤的修复方法中,植物修复因其操作简便、投资少,费用低、环境友好等特点而具有较大的应用潜力。本文在评述土壤PAHs污染植物修复研究现状的基础上,研究了PAHs污染土壤植物修复中的根际效应及其作用机制、影响因素等,重点阐述了PAHs污染胁迫下,植物根系分泌物释放的生理生态特征、根际微生物的生态响应机制及促进PAHs根际降解的机制。本文通过50 d的黑麦草盆栽试验,探讨了黑麦草对PAHs污染土壤的修复效果;通过对黑麦草根系分泌物中主要成分的定性及定量分析,研究了土壤PAHs污染胁迫下植物主要根系分泌物组成及数量上的生理生态变化;通过多隔层根箱试验模拟研究了PAHs降解的空间特征及根际距离梯度对土壤微生物的影响;以水培体系收集芘胁迫下黑麦草的根系分泌物并模拟其空间梯度递减特征,研究了与之相伴的PAHs降解特征及微生物的生态响应特征。本论文获得以下主要结果:(1)黑麦草可明显促进土壤中菲、芘的降解。经50 d处理,种植黑麦草土壤中菲和芘的去除率显著高于无植物对照,分别为83.5％～95.0%和37.4%～57.3%.黑麦草对菲的修复效果好于对芘的修复效果。黑麦草对低、中浓度(5 mg/kg和50 mg/kg左右)的菲、芘污染有较强的耐受性;高浓度(500 mg/kg左右)菲、芘污染抑制黑麦草生长。植物吸收积累不是植物促进土壤菲、芘降解的主要原因,其贡献率小于2.24%。黑麦草对土壤中菲、芘降解的促进作用主要为植物的根际效应可显著促进土壤中微生物对菲、芘的降解。
(2)低分子量有机分泌物是植物根系分泌物的重要组成部分,主要包括低分子量有机酸、可溶性总糖和氨基酸。芘污染胁迫下,黑麦草根系低分子量有机酸的分泌总量随芘胁迫处理浓度升高而显著上升,但有机酸组成无明显变化。而试验条件下,即芘胁迫浓度在3 mg/L、6 mg/L,和9 mg/L时,根系总糖分泌量随着芘胁迫处理浓度升高而呈现先略微上升后下降的趋势,但分泌量差异不显著。黑麦草根系氨基酸分泌总量随着芘胁迫处理浓度的增加而显著增多,但根系分泌的氨基酸组成无明显变化,而19种氨基酸分泌数量的变化情况不相同,分泌量总体均随着芘胁迫处理浓度的提高而增加,其中苏氨酸、丝氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、组氨酸和鸟氨酸的分泌量显著增多,差异显著(P＜0.05)。
(3)与不种植黑麦草处理相比,种植黑麦草的根箱中芘的残留浓度明显降低,修复过程中呈现出较强的根际效应。芘的根际降解存在距离根系不同远近的差异,芘降解的整体趋势表现为:近根层＞根生长层(根室)＞远根层。种植黑麦草处理的各室层土壤中芘的残留浓度间存在显著差异(P＜0.05),其大小顺序为S6＞S0＞S5＞S4＞S1＞S3＞S2。不种植黑麦草处理中各室层土壤芘残留浓度无显著差异。土壤微生物生物量碳表现出与土壤芘残留浓度变化相反的趋势。土壤芘残留浓度与土壤微生物量碳、脱氢酶活性和多酚氧化酶活性之间均存在极显著的负相关性(P＜0.01).结果表明,土壤微生物随根际距离梯度的变化特征是污染土壤中芘残留浓度随根际距离梯度变化而呈现不同根际效应的生态机制,并且芘降解的根际效应在某种程度上受限于距根系的距离。
(4)污染土壤中芘的残留浓度随着试验条件下根系分泌物添加剂量的增加呈现先下降后上升的非线性变化趋势。土壤微生物量碳和微生物熵与芘残留量的变化趋势相反,表明土壤微生物随根系分泌物剂量变化可能是污染土壤中芘残留量随根系分泌物添加剂量变化的生态机制。细菌随根系分泌物添加剂量的变化趋势与芘降解变化特征一致,表明芘的降解以细菌为主,根系分泌物主要通过影响细菌群落的数量,进而影响着芘的降解变化特征。土壤脱氢酶的变化趋势与土壤微生物量和主要群落结构的变化趋势一致,进一步证明了土壤微生物随根系分泌物剂量变化是污染土壤中芘残留量随根系分泌物添加剂量变化、呈现出不同的根际效应的生态机制。
多环芳烃;植物修复;根际效应;根系分泌物;土壤污染
浙江大学
硕士
农业资源利用
廖敏;杨生茂
2012
中文
X53;X171.4
72
2012-06-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）