土壤中多环芳烃生物可给性的化学方法表征研究

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多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是指分子中含有两个或两个以上苯环的芳香化合物,是环境中广泛存在的一类典型的持久性有机污染物。PAHs不仅广泛存在于土壤、水等自然环境中,也存在于小麦、水稻和蚯蚓等生物体内,威胁着土壤生态系统安全与人类健康。土壤是环境中PAHs最重要的汇,约95%都累积在土壤中,以游离态、可解吸态、结合态三种形态存在。目前普遍认为污染物的结合残留态难以被生物利用,不会引起生物毒性效应,而游离态和可解吸态组分才会对生物体产生毒性效应,采用总浓度进行风险评估通常导致风险的高估以及修复管理策略失误。因此,土壤中PAHs生物有效态组分及其表征方法的研究对PAHs污染土壤的生物修复及生态风险评价都具有重要意义。  本文选取两种不同类型的土壤(江苏黄壤和海南红壤),添加一定浓度的7种典型PAHs作为模拟污染土壤开展研究。7种典型PAHs包括菲(Phe)、芘(Pyr)、屈(Chyr)、苯并[a]蒽(BaA)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(BkF)以及苯并[a]芘(BaP)。研究了4种常规的化学法提取PAHs的量即耗竭性提取总量(ASE)、Tenax-TA树脂提取量、羟丙基-β-环糊精(HPCD)提取量和正丁醇提取量随老化时间的变化规律,以及蚯蚓蓄积量(赤子爱胜蚓Eisenia fetida)随PAHs老化的变化规律,并比较了PAHs的4种常规的化学法提取量与蚯蚓蓄积量的相关性强弱。在此基础上进一步探讨了外源活性物质如根系分泌的小分子有机酸(LMOAs)(以草酸(OA)、苹果酸(MA)和柠檬酸(CA)为模式化合物)和胞外聚合物(EPS)(以鼠李糖脂(RL)、血清蛋白(BSA)和海藻酸钠(AS)为模式化合物)联合HPCD提取土壤中PAHs生物可给性的效果,并对生物质炭作用下PAHs生物可给性进行预测与验证,尝试建立外源活性物质与HPCD复合提取预测老化污染土壤PAHs生物可给性的方法。得到的主要结论如下:  1.建立了加速溶剂萃取(ASE)、固相萃取柱净化(SPE)、高效液相色谱(HPLC)联合(ASE-SPE-HPLC)测定土壤及蚯蚓样品中PAHs的分析方法。  2.揭示了PAHs在土壤中的老化动力学特征。结果显示在0~60d老化时间范围内,PAHs耗竭性提取总量在前30d随时间的延长而降低,后30d降低趋势不明显,含量基本稳定;PAHs的Tenax、HPCD、正丁醇提取量在0~60d老化时间范围内,随老化时间的延长而持续降低。并且研究表明ASE耗竭性提取总量高估了蚯蚓富集量且二者无显著的相关性,因此不能用耗竭性提取总量来评估污染土壤PAHs的生物可给性;而3种非耗竭性提取量与蚯蚓富集量呈现出较好的线性关系,其中HPCD提取法较Tenax提取和正丁醇提取更优。但是HPCD提取低估了蚯蚓的蓄积量,表明HPCD提取法需要进一步改进。  3.在一定浓度范围内,LMOAs能够促进老化污染土中PAHs的解吸,其促进解吸的能力依次为CA>MA>OA。两种土壤中,PAHs蚯蚓体内富集量与几种复合的化学提取剂提取的PAHs含量之间皆存在显著的正相关关系,但是也存在着一些差别,在红壤中,蚯蚓对PAHs的富集量分别是HPCD/OA、HPCD/MA和HPCD/CA提取量的1.89、1.43和1.26倍;在潮土中,蚯蚓对PAHs的富集量分别是HPCD/OA、HPCD/MA和HPCD/CA提取量的2.03、1.67和1.56倍,表明LMOAs与HPCD复合提取优于HPCD单独提取,但依然需要进一步改进。  4.在一定的浓度范围内,EPS能够促进老化污染土中PAHs的解吸。其促进解吸的能力依次为AS>RL>BSA。两种土壤中,PAHs蚯蚓体内PAHs富集量与几种复合的化学提取剂提取的PAHs量之间皆存在显著的正相关关系。但是也存在着一些差别,红壤中,蚯蚓对PAHs的富集量分别是HPCD/BSA、HPCD/RL和HPCD/AS提取量的1.32、1.25和0.98倍;潮土中,蚯蚓对PAHs的富集量分别是HPCD/BSA、HPCD/RL和HPCD/AS提取量的1.55、1.49和1.08倍。表明EPS特别是AS与HPCD复合提取能够显著改善HPCD预算生物可给性的能力。  5.在添加生物质炭的污染土壤中,PAHs的化学提取量以及蚯蚓富集量都显著下降,生物可给性显著降低。其中,玉米秸秆炭比小麦秸秆炭对土壤中PAHs的固定能力更强。通过相关性分析,结果表明HPCD/AS复合提取较单一的HPCD提取更能接近蚯蚓富集的实际值,表明HPCD/AS复合提取对PAHs的生物可给性具有较强的预测能力和普适性,是一种方便、快捷、可靠且环境友好的预测PAHs生物可给性的方法。
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