中国地质学会岩矿测试技术专业委员会、国家地质实验测试中心主办

应用单体碳同位素技术探析农田土壤中多环芳烃的植物降解过程

焦杏春, 王广, 叶传永, 曹红英, 王晓春, 杨永亮, 刘晓端. 应用单体碳同位素技术探析农田土壤中多环芳烃的植物降解过程[J]. 岩矿测试, 2014, 33(6): 863-870.
引用本文: 焦杏春, 王广, 叶传永, 曹红英, 王晓春, 杨永亮, 刘晓端. 应用单体碳同位素技术探析农田土壤中多环芳烃的植物降解过程[J]. 岩矿测试, 2014, 33(6): 863-870.
JIAO Xing-chun, WANG Guang, YE Chuan-yong, CAO Hong-ying, WANG Xiao-chun, YANG Yong-liang, LIU Xiao-duan. Study on the Phytodegradation of PAHs from Farmland Soil using Technique of Compound Specific Isotope Analysis[J]. Rock and Mineral Analysis, 2014, 33(6): 863-870.
Citation: JIAO Xing-chun, WANG Guang, YE Chuan-yong, CAO Hong-ying, WANG Xiao-chun, YANG Yong-liang, LIU Xiao-duan. Study on the Phytodegradation of PAHs from Farmland Soil using Technique of Compound Specific Isotope Analysis[J]. Rock and Mineral Analysis, 2014, 33(6): 863-870.

应用单体碳同位素技术探析农田土壤中多环芳烃的植物降解过程

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(40703029, 41171370);中国地质调查局工作项目(1212011220058, 1212011120287)
详细信息
    作者简介: 焦杏春, 博士, 副研究员, 从事环境地球化学研究.E-mail: jiaoxch@sohu.com
  • 中图分类号: O628.21;O625.1

Study on the Phytodegradation of PAHs from Farmland Soil using Technique of Compound Specific Isotope Analysis

  • 长期以来, 研究者在探讨土壤中多环芳烃(PAHs)的降解及修复过程中, 缺乏简便有效的手段对化合物的降解动态进行定量研究。前人尝试用投加实验、对比采用降解措施前后污染物的浓度变化、模型计算等方法研究PAHs的降解过程, 其结果常互相矛盾, 或不能真实反映复杂的实际环境。本文应用单体碳同位素技术对农田土壤中多环芳烃的植物降解过程进行定量表征, 采集了某地农田表土作为供试土壤, 选择玉米作为供试作物, 开展了作物对土壤中PAHs降解及消除过程的研究。气相色谱-质谱分析结果表明, 培养所用的玉米原始土及分4批收集的空白土、根际土、非根际土样品中16种PAHs的浓度总和(∑PAHs)平均分别为380.8 ng/g、(281.5±34.7) ng/g、(272.2±11.6) ng/g和(299.8±37.9) ng/g; 玉米生长期间, 各土壤样品的∑PAHs均比原始土壤有所下降, 但除3环化合物(苊烯、苊、芴、菲、蒽)外, 其他化合物并未随玉米的生长表现出显著趋势。与玉米根、叶倾向于富集低环PAHs化合物相对应, 可以判断植物对土壤中的低环化合物去除作用最为显著。各采样时期玉米根际土、非根际土和空白土壤样品中多环芳烃单体化合物的碳同位素分馏值(δ13C)在-34.31‰~-23.95‰之间, 且除芘外的其他化合物的δ13C值随时间呈现逐步变轻的趋势, 波动值位于-0.6‰~-9.0‰之间; 本文对于PAHs单体化合物, 尤其是4、5环化合物, 在玉米降解过程中的碳同位素分馏与浓度变化之间未发现明显关系。考虑3环以下的PAHs化合物更倾向于被降解和清除, 且其碳、氢同位素分馏情况更容易被观察到, 因此稳定同位素分析更有助于探明该类单体多环芳烃污染物在环境中的迁移、转化规律。

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  • 图 1  农田土样品采样分布简单示意图

    Figure 1. 

    图 2  土壤样品中PAHs总含量(∑PAHs)与3环化合物含量(∑2, 3环PAHs)含量动态图

    Figure 2. 

    图 3  玉米叶和玉米根中PAHs总含量示意图

    Figure 3. 

    图 4  PAHs降解过程中碳同位素的分馏情况与化合物浓度的对应关系

    Figure 4. 

    表 1  玉米室内培养方案及采样说明

    Table 1.  The indoor cultivate and sample programme of maize plants

    采样
    批次
    采样
    时间
    样品干重(g)
    玉米叶玉米根根际土非根际土对照空白土
    第一批第7天7.333.13101010
    第二批第12天7.415.29101010
    第三批第16天9.846.69101010
    第四批第21天7.574.95101010
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    表 2  不同生长时期土壤中PAHs浓度及有机碳含量

    Table 2.  Concentrations of PAHs and TOC in soil samples during 4 sample periods

    PAHs化合物非根际土(ng/g,干重)根际土(ng/g,干重)空白土(ng/g,干重)原始土
    (ng/g,干重)
    第一批第二批第三批第四批第一批第二批第三批第四批第一批第二批第三批第四批
    21.549.9317.9713.1016.2710.6316.976.1321.5014.9213.5011.4714.92
    苊烯2.231.622.021.651.952.211.941.612.022.251.791.581.56
    3.93nd3.312.513.702.99nd2.624.123.323.132.562.26
    7.566.115.353.4910.519.566.844.688.695.345.754.074.66
    50.5942.8251.4735.7050.4148.4141.8038.5052.7641.4041.0337.1419.64
    7.186.367.645.256.046.887.515.827.226.375.965.915.23
    荧蒽31.2627.3735.1026.1123.9330.5429.5029.4532.1628.7122.1524.2923.52
    40.5036.9445.7533.9130.9935.7736.7936.7840.4337.5629.1434.1436.52
    苯并[a]蒽28.2126.0932.3125.6521.0025.5325.7827.1029.3527.7223.0524.8730.78
    32.4929.6336.7829.3024.2428.4429.1730.8633.4331.2327.2729.6737.69
    印并[123, cd]芘2.075.282.061.551.261.524.081.531.971.541.701.2042.80
    苯并[a]芘6.37nd6.935.164.515.33nd5.866.056.165.155.4913.77
    苯并[ghi]苝20.9221.2423.2718.7814.4218.1321.0019.9220.5621.0716.9118.8181.22
    苯并[b]荧蒽7.798.309.057.575.537.257.788.018.028.246.056.8284.64
    苯并[k]荧蒽31.9829.6636.8129.1623.3027.8827.2530.9631.8532.1226.4528.8631.34
    苯并[a, h]蒽24.2123.6727.7323.0417.6421.1521.2123.7225.0925.4819.8621.9350.30
    ∑PAHs318.80275.00343.52261.94255.71282.23277.64273.54325.22293.43248.89258.80480.83
    2, 3环PAHs93.0366.8487.7761.7088.8980.6975.0659.3596.3273.6071.1662.7248.27
    4, 5, 6环PAHs225.78208.17255.79200.25166.83201.54202.58214.19228.91219.84177.74196.08432.59
    总有机碳(%)0.820.860.870.830.941.010.970.87nd0.940.910.840.88
    注:“nd”表示未检出。
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    表 3  16种PAHs化合物的基本理化参数

    Table 3.  The physical-chemical parameters of 16 PAHs compounds

    PAHs
    化合物
    logKowlogHlogKoaPAHs
    化合物
    logKowlogHlogKoa
    3.371.63355.1308苯并[a]蒽5.91-0.99110.296
    苊烯4.001.06266.33175.86-0.97510.229
    3.921.38025.934苯并[b]荧蒽5.80-1.26810.462
    4.180.92946.6448苯并[k]荧蒽6.00-0.95510.349
    4.570.60217.3622苯并[a]芘6.04-2.04611.480
    4.540.77827.1561茚并[123-cd]芘6.50--
    荧蒽5.22-0.1818.7954二苯并[a, h]蒽6.75-2.15512.299
    5.180.04148.5329苯并[ghi]苝6.50-3.00012.894
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    表 4  玉米培养过程中土壤PAHs的碳同位素特征

    Table 4.  The fractionation of PAHs carbon isotope during the maize cultivating process

    样品编号δ13C(‰)
    苊烯荧蒽
    非根际土1-26.47-29.52-29.97-29.68-33.85-26.52
    非根际土2-24.60-27.94-28.38-25.53-24.82-30.20
    非根际土3-26.87-31.20-25.70-28.08-26.94-34.42
    非根际土4-29.37-30.14-32.16-34.31-29.35-25.98
    根际土1-26.42-29.08-28.14-29.65-28.25-30.17
    根际土2-24.58-26.46-24.97-26.69-29.08-31.29
    根际土4-28.20-30.53-33.45-39.63-28.40-27.27
    空白土2-26.21-29.68-26.15-30.92-28.91-23.95
    空白土3-32.28-30.27-27.80-30.79-30.07-26.79
    空白土4-29.27-29.85-28.59-34.89-29.57-27.60
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出版历程
收稿日期:  2014-03-18
修回日期:  2014-11-02
录用日期:  2014-11-15
刊出日期:  2014-06-25

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