多環(huán)芳烴污染土壤的生態(tài)毒性評價與植物修復(fù)機(jī)理研究.pdf

1、近幾個世紀(jì)以來，工業(yè)化生產(chǎn)的迅速發(fā)展和人口的不斷增長使得土壤污染迅速增加。多環(huán)芳烴(PAHs)是一類廣泛分布于土壤、水體及大氣環(huán)境中的持久性有機(jī)污染物，具有致畸、致癌或致突變作用，是美國國家環(huán)保局(EPA)優(yōu)先控制的污染物之一。PAHs的低水溶性與生物富積性特點導(dǎo)致PAHs易在生物體內(nèi)富積，并通過食物鏈遷移從而最終危及人體健康。土壤是PAHs主要富積地，PAHs土壤污染是世界性的環(huán)境問題，開展PAHs土壤污染風(fēng)險評價與控制對策研究意義重

2、大。植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，利用植物評估污染土壤的生態(tài)風(fēng)險具有簡單易行的特點。植物蛋白及解毒酶等都準(zhǔn)確的顯示土壤污染的早期環(huán)境變化。物理、化學(xué)與生物方法均能對PAHs污染土壤進(jìn)行修復(fù)，但植物修復(fù)是一種最經(jīng)濟(jì)與環(huán)境友好的去除污染土壤PAHs的方法，應(yīng)用前景廣闊。然而，植物是如何吸收多環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴在植物體內(nèi)是如何轉(zhuǎn)運及礦化脫毒的過程與機(jī)理還不清楚，植物吸收累積對土壤多環(huán)芳烴的去除貢獻(xiàn)研究較少，尋找多環(huán)芳烴高效降解植物修復(fù)蛋白也

3、是一個挑戰(zhàn)。因此，開展對多環(huán)芳烴污染土壤生態(tài)毒性的風(fēng)險評估及植物修復(fù)機(jī)理研究已成為目前亟待解決的科研課題。
　　 本文以多環(huán)芳烴菲芘為目標(biāo)污染物，通過種子萌發(fā)試驗與植物早期生長試驗，探討了多環(huán)芳烴污染土壤的生態(tài)毒性風(fēng)險評價方法與指標(biāo)；開展了多環(huán)芳烴污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理與技術(shù)研究，包括不同植物修復(fù)效率比較、高效修復(fù)植物的篩選、多環(huán)芳烴在植物體內(nèi)的累積規(guī)律、多環(huán)芳烴在植物體內(nèi)的代謝途徑及植物修復(fù)相關(guān)蛋白研究。主要研究結(jié)論如下：

4、r>　　 1多環(huán)芳烴污染土壤的生態(tài)毒性評價
　　 本研究以高等植物種子萌發(fā)抑制率與植物生長的生理生化指標(biāo)進(jìn)行土壤污染生態(tài)毒理效應(yīng)研究。通過室內(nèi)模擬試驗，研究水稻種子發(fā)芽率、水稻苗期葉綠素含量、MDA、SOD及POD酶活性的變化與芘污染的劑量-效應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，隨著處理濃度的增加，總?cè)~綠素與葉綠素a含量均顯著降低。葉綠素b的變化不顯著，只是高濃度處理時略有下降。葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均與芘處理濃度呈顯著線性負(fù)相關(guān)。芘

5、脅迫濃度增加導(dǎo)致水稻葉片與根系中的MDA含量升高，但低濃度處理時MDA增加較快。低濃度(<300μg/L)芘脅迫對水稻葉片及根系SOD具有誘導(dǎo)激活作用，且根系強(qiáng)于葉片。高濃度芘(>300μg/L)脅迫時，SOD活性被抑制。POD活性變化與SOD酶相似，低濃度芘處理對水稻體內(nèi)POD具有激活作用；POD酶在高濃度芘脅迫時被抑制。芘對水稻葉片、根系的丙二醛、超氧化物歧化酶、過氧化物酶等酶活性的抑制率符合有機(jī)污染物生態(tài)毒理劑量-反應(yīng)曲線模型。芘

6、對水稻葉片與根系的SOD具有明顯抑制作用，對水稻MDA具有促進(jìn)作用，二者均呈顯著線性關(guān)系；水稻葉片與根系POD與芘脅迫濃度呈線性負(fù)相關(guān)，但不顯著。說明水稻葉片與根系的SOD活性與MDA含量變化可以作為芘污染的評價指標(biāo)；芘的濃度變化對POD活性變化不大，POD活性只可作為芘污染診斷評估的參考指標(biāo)，不可作為主要指標(biāo)。
　　 2多環(huán)芳烴污染土壤中植物修復(fù)效率研究
　　 植物對菲芘的去除效果明顯，60天試驗完成后，玉米生長的土壤

7、中平均有84.16％的菲與84.74％芘被去除。不同植物對菲芘污染土壤的修復(fù)效果不同，玉米、三葉草與黑麥草對污染土壤中菲的去除在低濃度時差異不顯著，在高濃度時差異較顯著，玉米的修復(fù)效率最高；芘的修復(fù)情況與菲稍有差別，低濃度處理時，三葉草對污染土壤中芘的去除率較好，但隨著土壤中芘濃度的增加，玉米對污染土壤中芘的去除率逐漸升高，到高濃度T5(365.4 mg/kg)處理時，這種差異已達(dá)顯著程度。玉米、三葉草與黑麥草均能在高濃度多環(huán)芳烴污染土

8、壤中正常生長，表明用植物修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤是一種可行的方法。
　　 3多環(huán)芳烴在植物體內(nèi)的累積與代謝途徑探討
　　 植物能明顯的吸收與累積污染土壤中菲和芘，并隨土壤菲芘含量的增加而增大。不同植物對多環(huán)芳烴的富積能力不同，玉米最高，其次是三葉草與黑麥草。植物不同部分對多環(huán)芳烴的富積能力不同，根系大于葉片。菲累積量最高的是黑麥草根系，玉米與三葉草其次；而芘的富積量則是玉米最高，其次是黑麥草與三葉草。生物富集因子(BCFs)

9、隨著土壤菲芘含量的增加而減小，且芘的生物富集因子大于菲。植物根系菲的生物富集因子(RCFs)差異不顯著；芘的生物富集因子最高是玉米根系，均大于2，平均達(dá)3.61；其次是黑麥草，再次是三葉草。表明玉米根系對芘的富積能力最強(qiáng)，黑麥草與三葉草其次。玉米對菲的傳輸能力要遠(yuǎn)高于黑麥草與三葉草；三葉草對芘的傳輸能力高于黑麥草與玉米。
　　 芘在玉米體內(nèi)被降解，降解產(chǎn)物為2-丁基萘(或1，2-二苯基羧酸)、1-甲基-4已基環(huán)己二烯(3、7二甲

10、基-1，3，6辛三烯)與1-甲基-3已基苯。降解途徑可能有兩條。
　　 4多環(huán)芳烴植物修復(fù)相關(guān)蛋白研究
　　 本研究表明蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)可以分析環(huán)境條件變化與植物蛋白關(guān)系。用2D-PAGE結(jié)合MS技術(shù)詳細(xì)的分析了芘處理一周后玉米葉片與根系蛋白的變化，與對照相比，芘處理后玉米葉片總共有54個蛋白被誘導(dǎo)。根據(jù)其分子量、等電點及表達(dá)豐度，大約有20個感興趣的蛋白點被作了詳細(xì)的分析，其中有15個蛋白點被上調(diào)，5個蛋白點是新出現(xiàn)的。

11、用MALDI-TOF分析了6個感興趣的不同的分子量的蛋白點，經(jīng)Mascot數(shù)據(jù)庫分析比對發(fā)現(xiàn)，有4個點沒有匹配，有兩個點分別被鑒定為磷酸激酶與Robisco羧化加氧酶的一個大亞基。玉米根系有28個蛋白質(zhì)點被重點考察，其中有14個明顯上調(diào)的蛋白質(zhì)點，6個下調(diào)，4個新蛋白點，4個蛋白點丟失。對玉米根系10個蛋白點(點R1-2，點R8-9，點R17-19，點26-28)進(jìn)行PMF分析，其中有4個點與蛋白數(shù)據(jù)庫不相匹配，其余6個點(R1，R18

12、-19，R26-R28)分別被鑒定為著絲點蛋白、熱激蛋白、GTP-結(jié)合蛋白、2，6-二磷酸果糖激酶、P450、磷酸激酶(表6-5)。本研究發(fā)現(xiàn)了芘植物修復(fù)新的相關(guān)蛋白，表明蛋白質(zhì)組學(xué)是研究多環(huán)芳烴植物修復(fù)的重要新工具。
　　 5多環(huán)芳烴污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)研究
　　 植物修復(fù)在去除菲芘污染土壤方面顯示了巨大的潛力。在大約2個月的試驗時間里，四環(huán)的芘要比三環(huán)的菲難去除。雖然單一植物也能去除污染土壤的菲和芘，但植物共培養(yǎng)對

13、難降解土壤結(jié)合殘留菲芘的修復(fù)效果更好。與單一植物相比，植物共培養(yǎng)對污染土壤芘的去除速率更快，去除效率更高，在玉米與黑麥草處理的土壤中，共培養(yǎng)植物大約去除了98.22％的菲與95.81％的芘。不同種類多環(huán)芳烴在植物修復(fù)土壤中的降解半衰期不同。菲的半衰期較短，通常10天左右；芘的半衰期因處理方式不同差異較大，單一種植玉米與三葉草的污染土壤中，芘的半衰期大約為30天左右；種植黑麥草土壤中，芘的半衰期大約為40天左右；而玉米與三葉草、或玉米與黑