土壤-沉積物—生物系統(tǒng)多環(huán)芳烴生物地球化學(xué)過(guò)程.pdf

1、多環(huán)芳烴（PAHs）作為一種典型的持久性有機(jī)污染物（POPs）,在世界各種生態(tài)系統(tǒng)多介質(zhì)中被廣泛檢出。土壤/沉積物作為PAHs的主要匯集和累積場(chǎng)所,而生長(zhǎng)于土壤/沉積物上的各種生物是PAHs進(jìn)入食物網(wǎng)累積,并發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵介質(zhì)。因此,深入開(kāi)展本項(xiàng)研究不僅對(duì)豐富PAHs生物地球化學(xué)研究?jī)?nèi)容具有重要的理論意義,而且可為提高生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度和控制陸地生態(tài)系統(tǒng)PAHs污染提供重要科學(xué)依據(jù)。
　　本研究選擇典型土壤/沉積物—生

2、物系統(tǒng),通過(guò)實(shí)地資料收集與室內(nèi)分析與模擬相結(jié)合的方法,聯(lián)合環(huán)境地球化學(xué)、土壤學(xué)、與生物學(xué)等學(xué)科,研究了典型土壤/沉積物—生物系統(tǒng)中PAHs的累積、遷移與降解機(jī)制與影響因素。土壤—植物系統(tǒng)選擇植物為優(yōu)勢(shì)生物的土壤—水稻系統(tǒng)為例,研究結(jié)果顯示,上海市周邊水稻田表層土壤（0-10cm）TPAHs含量水平空間差異很大。稻田表層土壤中5環(huán)和6環(huán)的高環(huán)PAHs占優(yōu)勢(shì)地位,約為43.4％,比例最小的化合物為2環(huán)和3環(huán)的低環(huán)PAHs,僅占總量的18.5

3、%。表層土壤中PAHs總量、高、中、低環(huán)化合物和土壤理化性質(zhì)之間均沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。農(nóng)田水稻植物體累積PAHs的途徑主要為葉片吸附和吸收大氣中的PAHs。稻根從土壤中獲取PAHs也是水稻累積PAHs的一個(gè)重要途徑。籽和莖主要依賴葉片與根部獲取PAHs。TPAHs總量的根累積因子為0.05—0.08,PAH化合物根累積因子為0—0.41。說(shuō)明上海農(nóng)田水稻根系未發(fā)現(xiàn)從土壤中富集放大PAHs的現(xiàn)象。無(wú)論水稻種植前后,PAHs總量和化合物在土

4、壤中的垂直分布都具有向下逐漸遞減的趨勢(shì),而且自土壤表層向亞表層迅速減少,60cm以下變化較小,趨于穩(wěn)定。水稻種植可以使土壤中PAHs含量明顯降低。除萘外,菲和中、高環(huán)PAH化合物均在水稻種植后出現(xiàn)亞表層（10-20cm）截存富集現(xiàn)象。稻田土壤低環(huán)PAH化合物表現(xiàn)為隨深度增加所占比例逐漸增大的規(guī)律,而中、高環(huán)PAH化合物則顯示出相反的趨勢(shì)。SOC（土壤有機(jī)碳）是影響土壤PAHs累積與遷移的關(guān)鍵因素,而B(niǎo)C（碳黑）重要性遠(yuǎn)小于SOC。相對(duì)富

5、集系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示,水稻種植前PAHs在土壤剖面中出現(xiàn)了隔層相對(duì)富集的現(xiàn)象,水稻種植后PAHs在土壤剖面中的相對(duì)富集系數(shù)與種植前有很大差異,表明水稻種植能夠有效去除土壤剖面中PAHs,影響PAHs垂直變化。另外,水稻種植前后土壤剖面PAHs相對(duì)富集系數(shù)與1g kOW相關(guān)性均不明顯,表明PAHs自身理化性質(zhì)對(duì)其遷移特征影響較弱,其他作用機(jī)制（如淋溶、擾動(dòng)等）影響較強(qiáng)。沉積物—?jiǎng)游锵到y(tǒng)選擇動(dòng)物為優(yōu)勢(shì)生物的冬季潮灘沉積物—底棲動(dòng)物系統(tǒng)為例,研

6、究結(jié)果表明,長(zhǎng)江口濱岸邊灘表層沉積物中TPAHs總量為87.7—1851.0ng g-1,平均值為599.7 ng g-1,具有從長(zhǎng)江口內(nèi)向口外逐漸減少的趨勢(shì)。邊灘表層沉積物中環(huán)和高環(huán)PAH化合物占優(yōu)勢(shì)地位。崇明表層沉積物TPAHs含量表現(xiàn)為中潮灘＞高潮灘＞低潮灘的特征,且低環(huán)化合物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),與邊灘表層沉積物形成鮮明對(duì)比,高環(huán)化合物所占比例自高潮灘向低潮灘逐漸減少。表層沉積物理化性質(zhì)中SOC是控制PAHs累積與遷移最重要的影響因素。來(lái)

7、源辨析結(jié)果表明邊灘表層沉積物PAHs主要來(lái)源于不完全燃燒,崇明低潮灘顯示出較強(qiáng)的石油類產(chǎn)品泄漏來(lái)源的特征。長(zhǎng)江口潮灘底棲動(dòng)物中BLG彈涂魚(yú)TPAHs含量最高,達(dá)到891.0 ng g-1,CM中潮灘蟹體內(nèi)TPAHs含量最低,為36.1 ng g-1,表現(xiàn)出營(yíng)養(yǎng)級(jí)放大效應(yīng)。所有底棲動(dòng)物體內(nèi)累積的低環(huán)PAH化合物占有絕對(duì)統(tǒng)治地位,且所有動(dòng)物體內(nèi)均未檢測(cè)到4環(huán)PAH化合物,僅在部分樣品中有少量高環(huán)PAH化合物檢出。脂含量是影響PAHs在底棲動(dòng)

8、物體內(nèi)累積的關(guān)鍵因素。長(zhǎng)江口濱岸潮灘動(dòng)物體PAHs的含量水平與BSAF并沒(méi)有隨沉積物PAHs含量、SOC的變化而對(duì)應(yīng)變化的趨勢(shì)。TPAHs和PAH（5+6）的BSAF均較小,表明底棲動(dòng)物自沉積物中富集高環(huán)PAH化合物的能力較弱。由于水溶性較強(qiáng),沉積物中低環(huán)PAH化合物被底棲動(dòng)物食用后易于吸收,而且底棲動(dòng)物還可以從上覆水體直接獲取低環(huán)PAH化合物,所以PAH（2+3）化合物的BSAF要高許多。BSAF與LogKOW具有較強(qiáng)的相關(guān)性,當(dāng)Lo

9、gKOW＜6時(shí),BSAF值通常隨著KOW值的升高而升高,當(dāng)LogKOW＞6時(shí),BSAF值則開(kāi)始降低。
　　土壤—微生物系統(tǒng)選擇受PAHs污染嚴(yán)重且微生物為優(yōu)勢(shì)生物的Mosel河流沿岸土壤—微生物系統(tǒng)為例,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),Temmels土壤添加的D10-PA被很快釋放,并被本土微生物迅速降解,在2周時(shí)間內(nèi)降解了約92%,并在4周內(nèi)降解了約99%,以后基本保持穩(wěn)定。加入Konzerbr（u|¨）ck土壤中的D10-PA同樣很快被釋放并被

10、本土微生物降解,但D10-PA的降解速度約為Temmels降解速度的一半,這與兩種土壤溶液的D10-PA降解速度正好吻合,后者土壤中微生物數(shù)量約為前者的一半強(qiáng),表明微生物數(shù)量對(duì)于PAHs降解速度具有重要作用。Temmels土壤微生物降解組和滅菌對(duì)照組結(jié)果表明,Temmels土壤中的PAHs能夠被本土微生物少量降解。Konzerbr（u|¨）ck土壤微生物降解組PAHs則未發(fā)生明顯降解現(xiàn)象。Temmels土壤的Saar煤炭對(duì)照組降解了20

11、.0±2.7 mg kg-1,約占初始濃度的19.0%,表明Temmels土壤的Saar煤炭對(duì)照組PAHs被微生物小幅降解,顯示加入額外Saar煤炭后土壤中PAHs可降解能力會(huì)提高。Konzerbr（u|¨）ck土壤的Saar煤炭對(duì)照組中TPAHs共降解了46.0±1.1 mg kg-1,約占初始濃度的31.5%,表明Konzerbr（u|¨）ck土壤的Saar煤炭對(duì)照組中PAHs可以被本土微生物明顯降解,這與Konzerbr（u|¨）

12、ck土壤的微生物降解組幾乎無(wú)降解形成鮮明對(duì)比,表明本土微生物能夠大幅度降解新鮮Saar煤炭。Novgorod煤炭的加入沒(méi)有明顯增加Temmels土壤PAHs的降解水平。Konzerbr（u|¨）ck土壤的Novgorod煤炭對(duì)照組TPAHs共降解了初始濃度的20.4%。結(jié)果顯示Novgorod煤炭的加入,大幅提高了PAHs的降解水平,但與Konzerbr（u|¨）ck土壤的Saar煤炭對(duì)照組對(duì)比,降解百分比低于后者,表明本土微生物降解外

13、來(lái)煤炭的能力小于本地煤炭。Temmels土壤Saar煤炭對(duì)照組中PAH化合物降解量對(duì)總降解量貢獻(xiàn)率排序?yàn)镻AH（2+3）＞PAH（5+6）＞PAH（4）,其中Nap、1-MNap和PA降解最明顯;Konzerbr（u|¨）ck土壤的Saar煤炭和Novgorod煤炭對(duì)照組中PAH化合物降解量對(duì)總降解量貢獻(xiàn)率大小順序一致,均為PAH（2+3）＞PAH（4）＞PAH（5+6）,其中中Saar煤炭對(duì)照組Nap、1-MNap、2-MNap和PA