（植物营养学专业论文）土壤芘污染对蔬菜的毒害特征.pdf

y9 0 3 7 2 4 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科 学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和 做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的 法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的 规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论 文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东 农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名： 日期咿占：墨：! 竺 山东农业大学硕士学位论文 摘要 芘与致癌物苯并( a ) 芘的结构相似，是一类普遍存在于环境中难降解 的危险性有机污染物，它可通过食物链危害人类的健康，其环境行为日益 受到人们的关注。研究土壤中芘对蔬菜的毒害特征及其机理，对于减少芘 的环境风险与保障蔬菜质量安全具有重要意义。本文采用土培与水培模拟 试验方法，研究了土壤芘污染条件下油菜、萝h 和辣椒对芘的吸收、富集 特征，分析了芘胁迫对蔬菜生长、生理指标的影响及其生态毒性，探讨了 土壤芘污染与蔬菜自身抗性的关系，主要研究结果如下： 1 土培试验表明，在芘污染条件下，油菜、萝h 、辣椒等三种蔬菜体 内的芘含量与土壤中添加的芘的浓度呈显著的正相关关系，但不同种类蔬 菜各部位芘的分布不同；油菜、辣椒地上部芘含量低于根部，而萝h 地上 部芘含量高于根部。植株地上部芘的含量为：辣椒 萝b 油菜，根部芘的 含量为：辣椒 油菜 萝h 。 2 芘对油菜、萝b 、辣椒的种子发芽与根伸长有明显的抑制作用。 蔬菜根伸长抑制率与芘浓度均呈显著正相关关系，其中萝h 根伸长抑制率 与芘浓度为线性相关，油菜、辣椒根伸长抑制率与芘浓度呈对数相关。三 种蔬菜对芘毒性的敏感程度表现为：辣椒 油菜 萝 。 3 土培条件下，高浓度( 5 0 0 m g k g ) 的芘处理能够显著抑制辣椒地 上部和根部的生长，对萝b 根部也有显著的抑制作用。油菜和萝b 根部受 芘影响较大，而芘对辣椒地上部的抑制作用强于根部。 4 对油菜而言，芘处理能够抑制f e 、z n 、k 、m g 在油菜体内的运转， 同时促进根部对p 、k 、c a 、z n 、c u 的吸收；对辣椒而言，高浓度的芘处 理能够抑制根部对k 、m g 、f e 、z n 的吸收，加速k 、m n 向地上部的运输， 而抑制p 、m g 、f e 、z n 向地上部的运输；对萝h 而言，芘处理能够抑制根 部对f e 、z n 、m n 的吸收，促进对p 、c u 的吸收；加速f e 向地上部的运输， 而抑制p 、k l n 向地上部的运输。k 、c a 、m g 与芘的浓度呈现一种剂量效应。 即中、低浓度的芘处理能够促进根部对c a 、的吸收，抑制c a 、m g 在体 内运转，抑制k 的吸收，促进k 运转。高浓度芘处理抑制根部对c a 、m g 的吸收，加速c a 、m g 在体内运转，促进k 的吸收，抑制k 的运转。 5 短期水培条件下，芘胁迫能够显著降低萝b 和辣椒叶片中叶绿素含 圭苎堕望鲞翌熬竺童童塑堡 量，增翔淫菜吁片孛馥绿素含耋，隧辩芘黠跨绿豢缀残、磷酸遥嚣酶活毽 和根系活力也有影响。随着芘浓度的升高，叶片细胞膜透性和荫u - 醛含量 显著升高，芘对植株的伤害程度加墓。抗氧化保护酶活性增加可能是高浓 度蓖耱逡下蔬菜跨冀携整水孚较夺懿爨困e 关建淘：多嚣芳烃藏蒺菜毒赛耱逵 2 山东农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t p y r e n eh a st h es i m i l i a rs t r u c t u r ea sp h e n y l p y r e n e ，ak i n do f c a r c i n o g e n i t s v e r yd a n g e r o u sa n di n d i s c e r p t i b l e ，a n de x i s t su n i v e r s a l l yi ne n v i r o n m e n t i t c a l le n d a n g e rp e o p l e sh e a l t ht h r o u g hf o o dc h a i n n o w a d a y sm o r ea n dm o r e p e o p l ep a ya t t e n t i o nt oi t r e s e a r c h i n gt h et o x i c i t ya n dm e c h a n i s mo fp y r e n e t ov e g e t a b l e si ss os i g n i f i c a t i v et h a ti tc a nr e d u c et h ee n v i r o n m e n t a lr i s ko f p y r e n ea n dg u a r a n t e ev e g e t a b l e s q u a l i t ys a f e t y t h i sp a p e ru s i n gs o i lc u l t u r e e x p e r i m e n ta n dw a t e rc u l t u r ee x p e r i m e n t ，s t u d i e dp y r e n ea b s o r b i n ga n d a c c u m u l a t i n gc h a r a c t e r so ft h r e ek i n d so fp a k c h o i 倍r a s s i c ac a m p e s t r i ss s p c h i n e n s i sl v a r c o m m u n i st s e ne tl e e ) ，r a d i s h ( r a p h a n u ss a t i v u sl ) a n d p i m i e n t o ( c a p s i c u ma n n u u m ) i nt h ep o l l u t e ds o i le n v i r o n m e n t ，a n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo fp y r e n ei n t i m i d a t i o no nv e g e t a b l e s g r o w t ha n dp h y s i o l o g ya n d d i s c u s s e dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e p y r e n ep o l l u t i o n o fs o i la n d s e l f - f a s t n e s so f v e g e t a b l e st h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 s o i lc u j t u r ee x p e r i m e n to ft h et h r e ek i n d so f v e g e t a b l e ss h o w e dt h a t , u n d e rt h ec o n d i t i o no fp y r e n ep o l l u t i o n ，p y r e n ec o n c e n t r a t i o n si nt h et h r e e v e g e t a b l e sw e r es i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dt ot h ea d d e dp y r e n el e v e l si nt h es o i l h o w e v e r , t h ec o n c e n t r a t i o n so fp y r e n ea r ed i s s i m i l a rb e t w e e nt h et h r e ek i n d s o fv e g e t a b l e sa tt h e i rd i f f e r e n tp a r t s ：t h ec o n c e n t r a t i o n so fp y r e n ei nt h ep a r t s o fp a k c h o ia n dp i m i e n t oa b o v eg r o u n dw e r el o w e rt h a nt h a ti nt h e i rr o o t s ， h o w e v e rt h ec a s eo fr a d i s hw a sq u i t ed i f f e r e n t t h e c o m p a r i s o n o f c o n c e n t r a t i o n so fp y r e n ei nt h ea b o v e g r o t m dp a r t so ft h et h r e ek i n d so f v e g e t a b l ew a s ：p i m i e n t ow a st h eh i g h e s t ，r a d i s hw a ss e c o n d ，t h e nw a sp a k c h o i ， a n dt h ec o m p a r i s o ni nt h er o o t sw a s ：p i m i e n t ow a st h eh i g h e s t ，p a k c h o iw a s s e c o n d ，a n dr a d i s hw a st h el o w e s t 2 p y r e n eh a da no b v i o u sr e p r e s s i o no nt h eg e r m i n a t i o na n de l o n g a t i o no f r o o t so ft h et h r e ek i d so fv e g e t a b l e s p y r e n ec o n c e n t r a t i o n sw e r es i g n i f i c a n t l y c o r r e l a t e dt ot h er e p r e s s i o nr a t eo fe l o n g a t i o no ft h et h r e e sr o o t s t h er o o t e l o n g a t i o nr e p r e s s i o nr a t e so f p a k c h o ia n dp i m i e n t os h o w e dl o g a r i t h m sg r o w t h w i t ht h ei n c r e a s eo fp y r e n ec o n c e n t r a t i o n ，a n dt h a to fr a d i s hs h o wl i n e a r g r o w t h 、v i t l lt h ei n c r e a s eo fp y r e n ec o n c e n t r a t i o n h o w e v e r t h es e n s i t i v i t yo f t h et h r e ev e g e t a b l e st op y r e n ew a sd i f f e r e n t p i m i e n t oi st h em o s ts e n s i t i v e a c c o r d i n gt o 也e i rv a l v e s c o m p a r i s o no fr e p r e s s i o nr a t e so fp y r e n eo nr o o t s e l o n g a t i o nb e t w e e nt h et h r e ew a sa sf o l l o w s ：p i m i e n t ow a st h ee a s i e s tt ob e 3 土壤芘污染对蔬菜的毒害特征 a f f e c t e db yp y r e n e ，p a k c h o ii ss e c o n d , t h e ni sr a d i s h 3 u n d e rt h ec o n d i t i o no fs o i lc u l t u r ee x p e r i m e r i to ft h et h r e ek i n d so f v e g e t a b l e s 1 kd r yw e i g h ta n d 肌s h 碱g h to ft h ep a r t so fv e g e t a b l e sb o t h b e l o wa n da b o v eg r o u n dh a dat e n d e n c yt od e c r e a s ea st h ec o n c e n t r a t i o no f p y r e n e i n s o i l i n c r e a s e d r n g hd e n s i t yp y r e n e ( 5 0 0 m g g g ) h a do b v i o u s r e p r e s s i o no nt h ee l o n g a t i o no fp i m i e n t o sa b o v e g r o u n dp a r t sa n dr o o t s , a s w e l la st h er o o t so fr a d i s h p a k c h o ia n dr a d i s h sr o o t sw e r em u c he a s i e r a f f e c t e do nb yp y r e n et h a np i m i e n t o ，a sp i m i e n t o sa b o v e g r o u n dp a r t st h e n r o o t s 4 a st op a k e h o i p y r e n et r e a t m e n tc a nr e p r e s st h em o v e m e n to f k 、m g 、 f e 、z ma n dp r o m p tr o o t sa b s o r bk 、z n 、c u ；a st or a d i s h , i tc a nr e p r e s sr o o t s a b s o r bf e 、z n 、m hp r o m p tr o o t sa b s o r bp 、k 、c u ，a n da c c e l e r a t et h e m o v e m e n to f f eu p w a r dt oa b o v eg r o u n dp a r t s ，r e p r e s st h em o v e m e n to f m n u p w a r dt oa b o v eg r o u n dp a r t a st op i m i e n t op y r e n e t r e a l z n e n tc a n r e p r e s s r o o t sa b s o r bf e 、z n 、k 、m g , a c c e l e r a t et h em o v e m e n to f k 、m n u p w a r d t o a b o v eg r o u n dp a r t s ，r e p r e s st h em o v e m e n to f p 、m g 、f e 、z nu p w a r dt oa b o v e g r o u n dp a r t s 5 w a t e rc u l t u r ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a t , i nt h es h o r tt e r mp y r e n eh a d o b v i o u s r e p r e s s i o n o nt h er o o t sa n d a b o v e g r o u n dp a r t so fv e g e t a b l e s c o n c e n t r a t i o n so fc h l o r o p h y l li nt h el e a v e so fr a d i s ha n dp i m i e n t od e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y , w h i l et h a to fp a k e h o ii n c r e a s e do b v i o u s l y w i t ht h el e v e lo f p y r e n ec o n c e n t r a t i o n sr a i s e d , n i t r a t er e d u e t i v ei nv e g e t a b l el e a v e sf i r s tw e n t d o w n , t h e nu p n 地a c t i v i t yo fr o o t s c e l l u l a rm e m b r a n ep e n e ( r a t i o na n dm d a i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y n 地i n c r e a s eo fa n f i o x i d a s ea c t i v i t ym a y b et h er e a s o n , t h a tw h y v e g e t a b l e s l e a v ed a m a g e d i nal o wl e v e l k e yw o r d s ：p a h s ，p 、f r e n e , v e g e t a b l e ，t o x i c i t y , i n t i m i d a t i o n 4 山东农业大学硕士学位论文 符号及缩略词说明 土壤芘污染对蔬菜的毒害特征 1 引言 1 1 研究背景 多环芳烃( p o l y e y d i ea r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，p a h s ) 是指两个或两个 以上的苯环按线形、角状或簇状方式稠合在一起的一类中性或非极性有机 化合物( 周明耀，1 9 9 0 ) 。它是有机物不完全燃烧或高温裂解的产物，也 存在于石油等由成岩作用形成的天然产物中。化石燃料、固体废物等的不 完全燃烧是p a i l s 的主要人类活动来源。p a i l s 在环境中稳定、持久，通常 具有生物累积效应和放大效应，可进入食物链而危及人体的健康安全。许 多p a h s 化合物属于u s e p a 的“优控污染物”，有的还具有“三致”( 致 癌、致畸、致突变) 作用。p a h s 在环境中无处不在，在城市污泥中也普 遍检测到( 莫测辉等，2 0 0 0 ) f e l i c i a n odv ，1 9 9 3 ：j o c b sl w ，e ta l ， 1 9 8 7 ；w e h h e xmd ，e ta 1 ，1 9 8 9 1w i l dsre ta 1 ，1 9 9 0 ) w i l dsra n dj o n e sk c ，1 9 9 2 ；f r o s tp e ta 1 。1 9 9 3 ；s m i t hsr ，1 9 9 6 ) 。而许多国家也都陆续将 它列入优先污染物的黑名单或灰名单中( 王连生，1 9 9 5 ) 。美国环保局早 在上一世纪8 0 年代初便把1 6 种未带分支的p a n s 确定为环境中的优先污 染物( y a ne ta 1 ，2 0 0 4 ) ，我国也早把p a i l s 列入环境优先监测的污染物 黑名单。 由于环境中一些多环芳烃( p a h s ) 如苯并芘等具有很强的致癌性和 诱变性，且f a i l s 苯环数量愈多，脂溶性愈强，其致癌性愈高( j a c o bj ， k a 托h e r w ，1 9 8 6 ) 。经过生物体的吸收、浓缩而产生的危害，可以通过食 物链传递，危及人体的健康，因此对引起环境污染问题的p a i l s 正在进行 着广泛的研究( k a y a lsi ，c o n n d ldw 1 9 8 9 ；b r o w ngm a h e t w ：1 9 9 2 ) 随 着经济的发展，有可能导致咄s 排放量的增加( c o h e njp ，1 9 9 5 ) 。但 p a i l s 在土壤和植物系统中的环境行为的研究仍不够全面和深入。 蔬菜是人们日常生活中必不可少的食物，也是十分重要的经济作物。 我国是世界第一大蔬菜生产国，据2 0 0 1 年统计，全国蔬菜播种面积在 1 3 3 4 7 万公顷以上，占全世界蔬菜播种总面积的1 3 以上，蔬菜总产量超 过4 0 5 亿吨，约占全世界的4 0 ，全国蔬菜总产值达2 5 0 0 亿元。自“九 五”以来，山东省蔬菜种植面积、产量、加工出口量都位居全国第一位， 蔬菜生产已成为经济发展的重要支柱( 张德纯，2 0 0 2 ) 。然而，在蔬菜生 6 山东农业大学硕士学位论文 产迅猛发展的同时，由于环境污染和不合理的农业措施导致的蔬菜有机污 染问题，正日益引起人们的关注。因此，有必要对不同种类蔬菜吸收、累 积p l h s 的特征进行对比研究，以全面了解和掌握不同种类蔬菜吸收、累 积p a h s 规律的异同，为合理进行蔬菜生产布局、发展无公害蔬菜提供科 学依据。另外，p a i s 进入蔬菜体内后，会对蔬菜的生长发育产生毒害作 用，最终会影响蔬菜的产量和品质。因此，研究p a l l s 对蔬菜生理生化特 征的影响将有助于揭示有机污染物对蔬菜的毒害机理，为消除有机污染危 害提供依据。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 土壤中多环芳烃的来源及其危害 p a h s 是环境中广泛存在的一类有机污染物。其来源有两个方面：天然 源和人为源。天然源主要是森林和草原大火、火山喷发、植物和微生物的 合成，其中高等植物和微生物的合成、火山活动是产生p a h s 背景值的主 要因子( s u e s smj ，1 9 7 6 ；s h a b a dlm ，1 9 8 0 ) 。人为源来自工业生产和 加工( 如焦炭、碳黑和煤焦油的生产、原油及其衍生物的精炼和分馏等) ， 以及有机物的不完全燃烧等过程。与天然源相比，人为源是p a h s 的主要 产生源。在人为源中，人为的燃料燃烧是工业发达国家和城市地区p a h s 的重要贡献因子。在燃料燃烧过程中，p a h s 的形成可分为两个阶段：高温 分解( p y o l y s i s ) 和高温合成( p y o s y t h e s i s ) 。在高温分解阶段，有机化 合物受热断裂成比较小的、不稳定的片段；这些片段大部分是特别活跃且 半衰期很短的自由基，但在进一步的燃烧反应中，则形成比较稳定的p a h s ， 此为高温合成( m a s t r a l a m ，m a r i asc ，2 0 0 0 ) 。有机物燃烧过程产生p a h s 的种类和数量取决于火焰的局部温度和混合条件。燃烧温度越低，产生的 p a h s 也越多。低温有助于烷基同系物的生成；高温条件下，产生的高度 稠环p a h s 的量多于低温。因此，即使同一排放源，不同时间排出的p a h s 也可能有很大的变异( w i l c k ew ，2 0 0 0 ) 。环境中p a h s 的来源可以用个别 的p a h s 和特殊源的p a r i s 的质量比例，或用集群与主成分分析的统计方法 进行推断( a c e v e sm ，g - r i m a l tj0 ，1 9 9 3 ；a b o u lk e ta 1 ，1 9 9 5 ：m e n i c h i n ie ， 1 9 9 2 ；l e ehk ，e ta 1 ，1 9 9 0 ) 。在这些判断指标中，很少考虑到p a h s 在传输 和沉降过程中可能发生的转化，其准确性和可靠性值得商榷。 土壤芘污染对蔬蒜的毒害特征 主壤蔗一令p 鹾s 瘁。主壤孛p a h s 激要来叁太气滚簿、污承瀑溉窝污 泥等废弃物的农用。一般土壤，9 0 9 6 以上的p a h s 来自大气沉降( n e l s o n t e ， 1 9 8 3 ) ，德国p a n s 的年沉降速率估计为2 - 4m g c m 8 ) ，英国0 8 m g ( 秆- a ) ( f u h r f ，e t a l ，1 9 8 6 ) 。大气联尘使英黧建部壤耕瑟p a h s 总量在：i 建去豹 1 0 0 1 5 08 之闻增翔了4 5 倍( j o n e sk c ，e ta 1 ，1 9 8 9 ) 。大气沉降避入主壤 的p a h s 的含照及种类与攀节关系较密切：在冬天，温带地区由于家庭取暖 的增加，热、光降解的减弱，以及逆温带来的空气混食程度的降低，使得 天气孛p a l l s 客萋增麴，获悉逢残p a h s 滚耩量交大，焚它季苓都强乎冬季 ( m e n i c h i n ie ，1 9 9 2 ) 。浮水灌溉和废弃物的土地利用是土壤p a h s 的另一 重要来源。根据宋玉芳等人的研究结果，长期污灌可造成土壤中p a h s 的 罄遍积累，p a l l s 的最毫德患要集中在豢嚣。不曩p a t i s 在土壤中的辍鬟也 苓同，低分予鹣p a l l s 在主壤中的检整爨较高，僵积累爨不大；高分子p a h s 尽管在水中的检出量较少，但在污染较为严重的地段，土壤中高分予p a l l s 的含量均较搿。这是由于低分子p a h s 农摭物根系和土壤微生物的作用下， 察荔簿簿；瑟舞分子p a h s 壤舞解，在强壤串熬持久魏疆。 尽管p a h s 进入土壤厢将经历复杂的地球化学演化过程，但大部分残 留在土壤中，导致土壤长期污染。土壤中的p a h s 对人类健康可能造成不 黼程度约危害，由壤进入人体的p a i l s 爨要裹于大气和永( m e n z i ec a ， p o t o e k ibb ，1 9 9 2 ) 。 、 p a h s 潍入哺乳动物细胞后经代谢活化而成为高繇性的代谢产物，能 不可逆地损伤生物大分子( d n a 、蛋瓯贡、脂质) 。p a h s 代表一类有毒 铯会懿，其熊在传内产生；冬多毒整复瘦，惫援缓夔毒魏、遗传毒魏、免疰 滤性、致畸饺和致癌性等。 1 2 2 土壤中多环芳燎的迁移转化 。2 。2 。1 多戮芳烃在壤审豹羧爨 多环芳照( p a h s ) 进入土壤后的畿簧过程包括吸附、迁移、转化、 降解等。土壤对p a h s 的吸附是影响p a i l s 诸多土壤环境归宿( 例如迁移、 黪勰等) 的一个重要机制。p a h s 与土壤撂翔的结果黪致p a h s 在吸附态 帮溶解态之阍分配，麸雨影畹着p a h s 程环境孛酌行梵。嚣蘧，研究p a i l s 在土壤中的吸附行为有熏袋意义。 山东农业大学硕士学位论文 多环芳烃在土壤中的吸附经历2 个阶段：快速的线性分配阶段和慢速 的吸附阶段。在吸附开始阶段，多环芳烃很快吸附到土壤颗粒表面，使得 多环芳烃吸附量迅速增加；随着时间的推移，土壤中较易吸附的疏水点位 逐渐被多环芳烃占据，多环芳烃开始向土壤颗粒内部扩散，进入土壤内部 不易吸附的疏水点位，吸附速度开始减缓，并最终达到吸附平衡，这一“慢” 过程持续时间很长，一直到土壤有机质的吸附能力耗尽并达到平衡为止。 1 2 2 2 多环芳烃在土壤中的迁移转化 p a h s 在土壤中的吸附一解吸会影响它在土壤环境中的迁移、分布、归 宿、生物有效性和毒性等，因此p a h s 在土壤中的吸附一解吸机理受到研究 者一的高度重视。土壤对p a h s 的吸附一解吸实际上是土壤中的矿物组分和 土壤有机质( s o m ) 两部分共同作用的结果。与土壤有机质相比，矿物组 分对p a h s 的吸附是次要的，且这种吸附多以物理吸附为主，在动力学上 可用线性等温模型拟合( 党志等，2 0 0 1 ) 。n o r t h c o t t 等( n o r t h c o t tgl ，e t a 1 ，2 0 0 0 ；何耀武等，1 9 9 5 ) 报道，当土壤有机碳质量分数 0 1 时，低极 性或非极性的有机污染物在土壤中的吸附作用被土壤有机质所控制。因 此，研究土壤吸附非极性有机污染物的机理主要是从土壤有机质的角度进 行的。 1 2 3 土壤中多环芳烃的降解 p a h s 具有致癌、致畸、致变异，且在环境中的分布广泛等特点。而 p a h s 是脂溶性物质，可在植物体内累积，进而通过食物链对人体健康造 成威胁。p a i l 可通过沉降作用进入土壤，由于p a h s 受限的生物有效性， 很难通过淋溶、挥发或通过土壤中植物吸收和微生物降解而被去除，特别 是三环以上的p a h s 更是成为污染土壤生物修复的难点。 污泥中重金属和多环芳烃( p a h s ) 等有机污染物在土壤一作物系统中 的归宿问题是必须要解决的课题。国内外对于重金属己进行了较多的研 究，而对有机污染物研究较少( 蔡全英，2 0 0 0 ；s m i t hsr ，1 9 9 6 ) ，尤其 是国内关于作物中有机污染物的累积效应和在土壤中残留作用的研究鲜 见报道( 莫测辉等，2 0 0 0 ：安琼等，1 9 9 9 ；蔡全英等，2 0 0 2 ) 。 土壤中p a h s 的降解因素有两类：非生物因素和生物因素。非生物因素 包括p a h s 的水解、氧化分解和光解等。非生物因素对2 - 3 环p a h s 的降解 9 土壤芘污染对蔬菜的毒害特征 具有潜在意义，对3 环以上的p a i l s 的降解作用微弱。生物因素主要是细 菌和真菌对p a h s 的降解。环境中能以低分子的p h h s 作为唯一碳源的细菌 有假单胞菌属、黄杆菌属、奠拉氏菌属、弧菌属和解环菌属等。但对4 个 苯环以上的p a i l s 则基本上不能降解。对于大分子的p f f l s ，自腐真菌 ( p l e u r o t u so s t r e a t u s ) 的降解能力很强( t o t s c h eku ，e la 1 ，1 9 9 7 ，： a n n e t t e e ，e t a l ，1 9 9 8 ) 。关于p a h s 的生物降解方面的研究国内外报道的很 多。 1 2 3 1 微生物对土壤中多环芳烃污染的降解 进入土壤中的多环芳烃可能的归宿有：挥发、光氧化、化学氧化、生 物积累、土壤吸附和微生物降解等，大量的研究证明微生物降解是去除土 壤中多环芳烃的最主要途径( c e m i g l i ace ，1 9 9 2 ) 。由于多环芳烃在土壤 中存留的时间比较长，许多微生物经过自然驯化，就能以其作为碳源和能 源得以生长和繁殖。目前，各国在被煤焦油、杂酚油、木馏油和石油等污 染的地方，通过人工富集培养等技术，己经分离出许多降解多环芳烃的纯 菌或混合菌。 虽然芘本身不具遗传毒性，但是它的醌类代谢物比母体毒性更大且有 致突变性，所以芘常被作为监测多环芳烃污染的指示物和其它多环芳烃光 化学降解、生物降解的模型分子( r a v e l ec ，e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。能够降解芘的微 生物也不少，如分枝杆菌、红球菌、黄杆菌、假单袍菌、糙皮侧耳、自瓶 霉菌、雅致小克银汉霉、黑曲霉、c a r d o n as p ，b u r k h o l d e r i ac c p a c i a , s 。 y a n o i k u y a e 与c y e l o e l a s f i c u ss p 等( r a v e l e lc ，e la 1 ，2 0 0 1 ；b e z a l e ll ，e ta 1 ， 1 9 9 6 ：s c h n e i d e rj e t a l ，1 9 9 6 ；s a c k u ，e t a l ，1 9 9 7 ：r o s s d d ，武a 1 ， 2 0 0 2 ) 。 多环芳烃的微生物降解难易度取决于化学结构的复杂性和降解酶的 适应程度( 沈德中，2 0 0 2 ) 。不同的微生物对各类多环芳烃有不同的降解 能力( 降解速率、降解程度) ，所以降解多环芳烃的途径就有较大的差别。 研究表明，微生物降解多环芳烃一般有两种方式( 刘世亮等，2 0 0 2 ) ：一 种是以多环芳烃为唯一碳源和能源；另一种是将多环芳烃与其他有机质进 行共代谢。对于土壤中低分子量的三环和三环以下的多环芳烃类化合物， 微生物一般采用第一种代谢方式；而大多数细菌对四环或四环以上的多环 1 0 山东农业大学硕士学位论文 芳烃的矿化作用一般以共代谢方式开始，真菌对三环以上的多环芳烃的代 谢也多属共代谢。 1 2 3 2 植物对土壤中多环芳烃的降解 土壤溶液中p a h s 化合物可以穿过根皮层而进入木质部，通过根毛细 胞的作用累积于植物茎，或通过运输作用达到叶部并累积( p a t e r s o ns ，e t a 1 ，1 9 9 0 ：b e l lpf ，e ta 1 ，1 9 9 1 ) 。 根际富集的p a h s 更易转移到根内( x l i s t ehh ，a l e x a n d e rm ，2 0 0 0 ，) 。 植物对p a h s 的吸收与p a h s 化合物的理化性质、植物种类、土壤性质、耕 作措施( 如施用方式) 、环境条件等因素有关。低分子量的p a i s 化合物水 溶性相对较高，较易被植物吸收，因而植物中常以低分子量的p a h s 化合 物为主( k i p o p o u l o u a m ，e ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 利用植物直接或间接地吸收、同化或降解作用可以修复和净化有机污 染物如多环芳烃污染土壤环境( a n d e r s o nt a ，c ta 1 ，1 9 9 3 ；a p r i l lw a n d s i m sr c ，1 9 9 0 ) 。植物可以明显的促进根际土壤中多环芳烃、杀虫剂、除 草剂的降解，与非根际比较( g u n t h e r , t e ta 1 ，1 9 9 6 ) ，黑麦草对根际土壤 中多环芳烃有降解作用。b i n e tp 等( b i n e tp ，e ta l ，2 0 0 0 ) 报道，黑麦草能 促进根际土壤中菲等多环芳烃的降解，在经过6 个月老化的土壤中多环芳 烃降解率低于未经老化的土壤中的降解率。b a n k s 等( b a n k sm 。k e t a 1 ，1 9 9 9 ) 对酥油草进行苯并【a 】芘污染的土壤的降解研究，发现根际可以 促进降解，在6 个月后降解率可以达到一半以上，同时说明植物明显地影 响土壤中苯并 a 】芘的归宿。 1 2 3 3 植物一微生物对土壤多环芳烃污染降解中的作用 在植物存在的条件下微生物降解多环芳烃的能力可以提高2 一 4 7 。r e i l l y 等( r e i l l yk a ，b a n k smk ，1 9 9 6 ) 研究多环芳烃的降解时， 发现植物使根区微生物密度增加，多环芳烃的降解率也有所提高。其原因 有二：一是根际作用增加了微生物降解菌的数量，一是植物分泌有机物为 微生物共代谢提供了共代谢的基质底物。c l e y v a l 和rb i n e t ( l e y v a lc ， b i l l e tp ，1 9 9 8 ) 研究了韭葱、玉米、黑麦草和三叶草接种菌根菌( g 1 0 m u s m o s s e a e ) 后对多环芳烃的降解，提出菌根菌不仅能增加寄主植物对营养 壤芘污染对蔬菜的毒害特征 和水的吸收，而且能增加多环芳烃的生物可利用性，提高吸收率与矿化率。 研究表明，黑麦草根际对降解大分子量的多环芳烃有很大的潜力，这对土 壤中老化处理过的多环芳烃尤为明显( b i n c t 只c ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 植物与微生物联合修复比单用微生物修复多环芳烃等有机污染物要 好很多：植物根区的菌根真菌和植物形成共生作用，有特别的酶代谢，来 降解不能被细菌单独转化的有机污染物：另外，植物根区分泌物能刺激细 菌的转化作用：植物还为微生物提供生存场所及转移氧，促进根区的好氧 转化作用( 刘世亮等，2 0 0 2 ) 。 植物通过向根际分泌氨基酸等低分子有机物来刺激根系附近微生物 群体的发育，使根基环境成为微生物作用的活跃区域，这样就间接促进了 有机污染物的根际微生物降解。根际的酸化作用可刺激根系分泌糖类和有 机酸，可强化根际硝化细菌活性，从而有利于尿素衍生物的降解。据s c r i m 和g r c c r 报道，接种假单孢杆菌( p s e u d om o r n ss p ) 后，草地麦雀在含有 4 1 9 k g n 汀土壤中的生长量比不接种处理增加了5 0 ，而n 汀的降解量 也增加了5 0 0 a ，表明该菌株在增强草地麦雀对n 汀污染适应性的同时， 通过改变根际微生物种群结构而加速1 n t 的降解。大量的研究结果表明， 植物修复有机污染物除了取决于植物本身的吸收能力外，植物根际微生物 对有机污染物的降解也起了促进作用。 a n d e r s o n 等( a n d e r s o nt a , e ta 1 ，1 9 9 3 ) 的实验表明，植物能以多种方 式刺激微生物对有机污染物进行转化。根际微生物在生物降解中起着重要 作用。土壤由于植物根系的存在。增加了微生物的活动和数量。具植物根 系的土壤其微生物数量和活性比无根系土壤中微生物数量和活性增加了 5 l o 倍。有的高达1 0 0 倍。这些微生物可以加速许多有机农药及二氯乙 烯和石油烃的降解( 张福锁，曹一平，1 9 9 2 ) ，甲基硫类物质和某些杀虫 剂也能被几种根际微生物所降解( g u g hc l ，e ta 1 ，1 9 9 8 ) 。j o r d a h l 等 ( j o r d a h lj l ，c ta 1 ，1 9 9 7 ) 发现具杂交杨( p o p u l u sd d t o i d e s ) 根系的土壤中。 异养生物、b t x 类降解微生物和除草剂阿特拉津( a t r a z i n e ) 降解者的数 量高于无根系土壤。k a t a y a m a 等( k a t a y a m aa ，m a t s u m u r af , 1 9 9 3 ) 也作 了用根际真菌降解多种有机化合物如五氯苯酚，d d t 等方而的研究。证 实了根际微生物能对有机污染物的降解起作用。其降解的原因可能是植物 1 2 山东农业太学硕士学位论文 根系分泌物刺激了微生物的活动。p 6 c 心y 等( p f i c 啦v a n c u r av ，1 9 8 0 ) 的 研究表明，植物根际分泌物的数量与土壤中微生物的存在密切相关。 1 2 4 多环芳烃的生物效应 1 2 4 1 叶的作用 植物的叶对大气中的汽溶胶和其他污染物的吸收可分别通过气孔和 表皮角质层进行，对于气态无机污染物主要通过气孔渗透，对疏水性极高 的有机污染物，如杀虫剂、尿素衍生物、酚类、葸类等物质，绝大多数是 通过角质层渗透有机物到达叶肉细胞后同化成小分子有机物或c 0 2 ，被植 物吸收，作为细胞骨架的物质。植物叶片对有机物的吸收能力与叶片的年 龄和毛状体的量有关。一般来说，幼叶吸收外源有机污染物的能力比成熟 叶片强，毛状体的量越大，越有利于吸附有机污染物。研究发现芥子科植 物( h a l l e r i ) 含有许多叶面表皮毛状体，它对大气中多环芳烃类污染物 的固体和液体汽溶胶共有较强的吸附力。 植物的叶同时还起蒸腾挥发作用，蒸腾作用驱动小分子物质在叶片中 的运输、积累、转化，有的被利用，有的被挥发到大气中，向大气挥发应 以不构成生态危险为限，避免“二次污染”。如杨树是多品种系列的速生 树种，各种杨树对多种有机污染物共有修复能力，但个别品种会造成“二 次污染”。有些杂交杨树在修复二嗯英污染过程中，有8 0 就是通过叶片 挥发到大气中造成二次污染的。所以要通过筛选、繁殖适合不同修复场地 的杂交树种，才能“对症下药”，做到事半功倍。 1 2 4 2 根系的作用 根是植物体重要的器官，它具有固定植株、吸收土壤中水分及溶解于 水中的矿质营养等生理功能。此外，根还通过吸收和吸附作用在根部积累 大量污染物质，加强了对污染物质的固定。其中根系对污染物质的吸收在 污染土壤修复中起重要作用。据研究( 孙铁珩等，2 0 0 1 ) ，植物根系的吸 收是化学物质进入植物体内最重要的途径之一，许多无机和有机污染物都 能不同程度地从根系进入植物体内，有的还在植物体内富集。植物修复的 原理之一就是利用植物对土壤中污染物质的吸收和富集功能，从土壤中 “提取”污染物，再将植物地上部分和根收获集中处理，进而达到污染土 土壤芘污枭对蔬菜的毒害特征 壤原位修复的目的。根还有生物合成的作用，可以合成多种氨基酸、植物 碱、有机氮和有机磷等有机物，同时还能向周围土壤中分泌有机酸、糖类 物质、氨基酸和维生素等有机物，这些分泌物能不同程度地降低根际圈内 污染物质的可移动性和生物有效性，减少污染物对植物的毒害。例如，各 种有机物( 包括有