植物對(duì)水溶液中樂果的降解及影響因素分析.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-植物對(duì)水溶液中樂果的降解及影響因素分析傅以鋼，黃亞，滕衍行，張亞雷，趙建夫同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092摘要：通過氣相色譜分析，建立濃度換算標(biāo)準(zhǔn)曲線，研究了三種水生植物水蔥、香蒲和石菖蒲對(duì)水溶液中樂果的降解效果，并進(jìn)一步探討了水蔥對(duì)樂果降解的動(dòng)力學(xué)過程和各因素對(duì)樂果去除的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，三種植物對(duì)樂果去除能力由大到小依次為：水蔥，香蒲，石菖蒲。水蔥10天內(nèi)對(duì)樂果的去除率為58%，香蒲和石菖蒲組對(duì)樂果的去除率分別為39%和33%。樂果的自然降解和揮發(fā)、植物吸收和微生物降解作用對(duì)樂果去除的貢獻(xiàn)率約為：20%、40%、30%。水體的pH升高能夠加速樂果的降解，營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的下降不利于植物去除樂果。關(guān)鍵詞：水生植物；植物修復(fù)；農(nóng)藥；樂果；動(dòng)力學(xué)中圖分類號(hào)：X592文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-2175（2006）01-0023-04中國環(huán)境有機(jī)污染日益嚴(yán)重，環(huán)境污染治理與修復(fù)已得到政府的高度重視。由于常規(guī)的物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)成本昂貴，一般用于點(diǎn)源污染的治理與修復(fù)。微生物技術(shù)雖可廣泛用于點(diǎn)源和面源污染的治理與修復(fù)，但特定的微生物只能降解特定類型的化合物，從而限制了它們?cè)谒w治理和修復(fù)中的應(yīng)用1。植物修復(fù)作為直接利用綠色植物系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)移、降解或固定的方式修復(fù)污染的土壤、沉積物、水和空氣的新興技術(shù)，不僅具有美學(xué)價(jià)值，價(jià)格低廉，僅需太陽能驅(qū)動(dòng)，能夠去除大部分的環(huán)境污染物，且對(duì)于淺層輕度污染的區(qū)域非常有效2。近年來，歐美各國都在有機(jī)污染的植物修復(fù)方面開展了深入研究36。據(jù)研究，地表水中大約80%的污染物都存在于表層以下20m以內(nèi)，這表明，植物修復(fù)技術(shù)可以應(yīng)用于許多污染區(qū)域7。研究表明，植物不僅能通過根系吸收難降解的多氯聯(lián)苯（PCBs）和多環(huán)芳烴（PAHs）化合物，而且能迅速地從環(huán)境中吸收轉(zhuǎn)移和降解多種有機(jī)物7。中國在有機(jī)污染的植物修復(fù)方面的研究相對(duì)較少，夏會(huì)龍等人8,9研究了鳳眼蓮對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉硫磷和甲基對(duì)硫磷的降解效果和機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮可顯著提高馬拉硫磷和甲基對(duì)硫磷的降解速率。本文研究了水蔥、香蒲和石菖蒲三種植物促進(jìn)水溶液中有機(jī)磷農(nóng)藥樂果的去除效果及水蔥促進(jìn)樂果降解的動(dòng)力學(xué)過程，為植物修復(fù)有機(jī)污染水體的研究與應(yīng)用提供理論依據(jù)。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料植物樣品采集自上海淀山湖，試驗(yàn)前在無污染物的溫室條件下預(yù)培養(yǎng)三周以上，選取生長良好的植株進(jìn)行試驗(yàn)。樂果標(biāo)準(zhǔn)品由Sigma-Aldrich公司提供，40%樂果乳油采用市售產(chǎn)品，江蘇騰龍生物藥業(yè)有限公司生產(chǎn)。1.2營養(yǎng)液的配制本試驗(yàn)采用人工配制的霍格蘭氏液(Hoaglandsolution)作為植物生長的介質(zhì)。培養(yǎng)液成分如下：KNO30.51gL-1，Ca(NO3)20.82gL-1，MgSO47H2O0.49gL-1，KH2PO40.136gL-1，F(xiàn)eSO40.6mgL-1，H3BO32.86mgL-1，MnCl24H2O1.81mgL-1，ZnSO47H2O0.22mgL-1，(NH4)6Mo7O240.45mgL-1，EDTA0.744mgL-1。為抑制藻類的生長，培養(yǎng)液中還加入10mgL-1CuSO410。1.3試驗(yàn)方法1.3.1三種植物的降解效果比較在250mL三角瓶中加入125mL含5mgL-1樂果的霍格蘭氏液，并加入10mgL-1氨芐青霉素以抑制微生物生長，以消除微生物作用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響8。向三角瓶中移入經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)生長良好的植株，并稱得各植株的鮮質(zhì)量在612g之間，在12h光照周期下進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)液初始的pH約為5，電導(dǎo)率為2.31mScm-1。之后每天監(jiān)測(cè)溶液的pH值，使之維持在56之間，適宜植物生長11。每種植物設(shè)置兩個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組，不種植植物，其他條件一致。培養(yǎng)10d后，取出植物，稱量剩余培養(yǎng)液的質(zhì)量，計(jì)算出蒸發(fā)的水量。由于植物吸收的水量不同，空白組和各植物組蒸發(fā)的水量也不同，因此必須通過水溶液中樂果減少的質(zhì)量的下降計(jì)算去除率。取50mL水樣測(cè)定水溶液中樂果的殘余量。1.3.2水蔥促進(jìn)樂果降解的動(dòng)力學(xué)過程選擇生長良好的植株，洗凈根部附著的泥土，移入裝有78L培養(yǎng)液的PVC桶中，培養(yǎng)液中加入5mgL-1樂果，在室內(nèi)自然光條件下培養(yǎng)。底質(zhì)采用自來水三次洗滌過的潔凈沙子，沙層高度5724生態(tài)環(huán)境第15卷第1期（2006年1月）cm，去除了底質(zhì)中所含化學(xué)雜質(zhì)對(duì)植物生長的影響。同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組，不種植植物，其他條件一致。水蔥處理組和空白對(duì)照組各設(shè)置三個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)，測(cè)定了水體中氮磷營養(yǎng)鹽的質(zhì)量濃度。試驗(yàn)期間，每1d向各處理組中補(bǔ)充250mL自來水以補(bǔ)償蒸發(fā)的水量。在培養(yǎng)第1、3、6、10d取水樣100mL分析樂果殘余量。1.3.3水樣分析方法首先將水樣通過0.45m濾膜過濾，取50mL（100mL）過濾后水樣至125mL（250mL）分液漏斗中，并加入23g（45g）NaCl，振蕩使之溶解，加入8mL三氯甲烷振搖10min，將下層有機(jī)相經(jīng)過無水硫酸鈉層析柱脫水收集，再向水相中加入三氯甲烷共萃取3次，合并三次萃取液，最后用三氯甲烷定容至25mL12。用配有FPD檢測(cè)器的TRACEGCULTRA氣相色譜儀測(cè)定樣品中樂果含量，每一樣品進(jìn)樣三次，取平均值作為最終結(jié)果。水樣中樂果的添加回收率為113.7%，樂果質(zhì)量濃度測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸系數(shù)R2=0.999。色譜分析條件：柱溫：70停留1min，經(jīng)過20.0min-1升溫至230，并保持1min，共10min進(jìn)樣口溫度：230，不分流進(jìn)樣載氣體積流量：2.0mLmin-1，氫氣體積流量90mLmin-1，空氣體積流量115mLmin-1FPD檢測(cè)器溫度：150進(jìn)樣量：自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣1L2結(jié)果與討論2.1試驗(yàn)期間植物生長情況在三種植物的樂果降解試驗(yàn)中，有一株香蒲在試驗(yàn)?zāi)┢诔霈F(xiàn)枯黃現(xiàn)象，三種植物總體上生長良好。由于植物在培養(yǎng)過程中要從培養(yǎng)液中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，因而可用培養(yǎng)液減少的量作為植物生長狀況的衡量指標(biāo)13。經(jīng)過10d培養(yǎng)，水蔥、香蒲和石菖蒲三組試驗(yàn)培養(yǎng)液平均減少的量分別為72g、36g、37g，空白組培養(yǎng)液的蒸發(fā)量為12g。2.2三種植物對(duì)樂果降解的效果比較經(jīng)過10d的培養(yǎng)，各處理?xiàng)l件下樂果的去除效果如圖1所示。從圖1可見，與空白組相比，三種植物都能夠明顯促進(jìn)樂果降解。三種植物對(duì)樂果的降解效果由大到小依次為：水蔥，香蒲，石菖蒲。10d中，水蔥組樂果的平均去除率為58%。香蒲和石菖蒲實(shí)驗(yàn)組樂果的平均去除率分別為39%和33%，而空白組樂果僅減少了20%，這是由樂果自然降解和揮發(fā)造成的。這表明，植物通過根系吸收能夠加速水溶液中樂果的去除。由試驗(yàn)組培養(yǎng)液減少的量也可看出，水蔥吸收的培養(yǎng)液最多，生長情況最好，相應(yīng)樂果的去除率也最高，說明植物去除污染物的能力與植物的生長狀況密切相關(guān)。2.3水蔥對(duì)樂果降解的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究由于水蔥在三種植物中對(duì)樂果的處理效果最佳，因此選擇研究了水蔥降解樂果的動(dòng)力學(xué)過程，10d中水蔥和空白組樂果質(zhì)量濃度的變化曲線如圖2所示。水蔥組樂果的質(zhì)量濃度由4.6mgL-1降至2.6mgL-1，降解率為43%?？瞻捉M樂果的質(zhì)量濃度由4.0mgL-1下降至2.0mgL-1，降解率為50%。根據(jù)一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程0kttcce對(duì)樂果在水蔥和空白處理水溶液中的降解過程進(jìn)行擬合，方程中ct為農(nóng)藥在某一時(shí)刻的質(zhì)量濃度(mgL-1)，c0為起始添加質(zhì)量濃度(mgL-1)，k為降解速率常數(shù)（d-1）。計(jì)算得各處理組水溶液中樂果的降解速率常數(shù)分別為空白0.054d1(R2=0.58)，水蔥0.0900.010.020.030.040.050.060.070.080.0空白香蒲水蔥石菖蒲去除率/%圖1各處理組對(duì)樂果的去除效果Fig.1Comparisonofdimethoatereductionincontrol,Typha,ScirppusandAcorustreatments1.02.03.04.05.00246810t/d(樂果)/(mgL-1)空白水蔥圖2水蔥促進(jìn)樂果降解的動(dòng)力學(xué)過程Fig.2KineticsprocessofdimethoatedegradationeffectedbyScirppus傅以鋼等：植物對(duì)水溶液中樂果的降解及影響因素分析25d-1(R2=0.73)。水蔥與空白組的降解速率常數(shù)之差是植物對(duì)樂果降解的貢獻(xiàn)。兩者之差為0.036d-1，占水蔥組總降解速率常數(shù)的40%。由于該組實(shí)驗(yàn)沒有加入抑菌劑，因此降解速率常數(shù)中包含了植物與微生物對(duì)樂果降解的協(xié)同作用。結(jié)合2.2節(jié)抑菌實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，有抑菌的空白組樂果的去除率為20%，而無抑菌的空白組樂果的去除率為50%，差值30%即為微生物對(duì)樂果的降解作用。除了農(nóng)藥的揮發(fā)和自然降解外，植物修復(fù)的水體中農(nóng)藥的其他去除機(jī)制主要有：植物直接吸收、植物根系釋放分泌物和酶去除及根區(qū)有機(jī)物的生物降解14。本實(shí)驗(yàn)中不考慮根系分泌物和酶的作用，將樂果的降解歸納為自然降解和揮發(fā)、植物吸收、微生物降解三部分的作用。根據(jù)前面的分析，在不抑菌的水蔥試驗(yàn)組中，三部分對(duì)樂果去除的貢獻(xiàn)率分別為20%、40%、30%，還有10%的減少可能來源于實(shí)驗(yàn)誤差。從圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)的前半段時(shí)間，空白組樂果的質(zhì)量濃度幾乎沒有下降，而水蔥組樂果質(zhì)量濃度下降非常顯著。而第6d以后，兩組出現(xiàn)了相反的變化，空白組的樂果質(zhì)量濃度急劇下降，而水蔥組的質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定，最終都穩(wěn)定在2.0mgL-1左右。經(jīng)分析可能有以下兩個(gè)原因：（1）樂果在酸性溶液中相當(dāng)穩(wěn)定，而在堿性溶液中則迅速水解15。試驗(yàn)開始時(shí)，各處理組的pH均在7.5左右，但到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水體的pH值普遍上升，空白組尤為顯著，達(dá)到8.9，而水蔥組的pH為7.9。在高堿度的水體中樂果的降解速率大大加快，因此空白組在后期樂果降解速率明顯加快。這應(yīng)該是造成空白組水中樂果的質(zhì)量濃度明顯低于植物組的主要原因。（2）植物在生長過程中逐漸吸收水體中的營養(yǎng)鹽進(jìn)行合成代謝，但到了試驗(yàn)后期，植物組水體中營養(yǎng)鹽的質(zhì)量濃度顯著下降，見圖3和圖4。水蔥組總氮的質(zhì)量濃度由開始的8.2mgL-1下降到2.9mgL-1，總磷的質(zhì)量濃度由2.1mgL-1下降到0.18mgL-1。如2.1和2.2節(jié)所述，植物去除污染物的能力與植物的生長狀況密切相關(guān)，水體中的營養(yǎng)物質(zhì)無法滿足植物的生長需要，也影響了植物吸收降解農(nóng)藥的效果?；谝陨显?，在利用植物進(jìn)行植物修復(fù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意控制水體的pH值并及時(shí)補(bǔ)充水體的營養(yǎng)鹽，使植物處于最佳生長狀態(tài)，這樣才能最大程度地發(fā)揮植物在污染物修復(fù)中的作用。3結(jié)論及建議（1）水生植物水蔥、香蒲、石菖蒲可以加速水溶液中樂果的去除，三種植物對(duì)樂果的降解效果由大到小依次為：水蔥，香蒲，石菖蒲。水蔥10d對(duì)樂果的去除率為58%。植物降解污染物的效果與植物的生長狀況密切相關(guān)。（2）樂果的自然降解和揮發(fā)、植物吸收和微生物降解作用對(duì)樂果去除的貢獻(xiàn)率約為20%、40%、30%。（3）水溶液的pH和營養(yǎng)鹽的質(zhì)量濃度對(duì)樂果的去除有很大影響：pH升高能夠加速樂果的降解，營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的下降不利于植物去除樂果。（4）本試驗(yàn)進(jìn)行的是靜態(tài)條件下植物對(duì)樂果的短期（10d）降解情況。由于植物生長過程中不斷吸收營養(yǎng)物質(zhì)，在進(jìn)行農(nóng)藥降解的長期效果研究時(shí)，可以定期向溶液中補(bǔ)充營養(yǎng)液以補(bǔ)充養(yǎng)分，有利于植物的生長。參考文獻(xiàn)：1夏會(huì)龍,吳良?xì)g,陶勤南.有機(jī)污染環(huán)境的植物修復(fù)研究進(jìn)展J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(3):457460.XIAHuilong,WULianghuan,TAOQinnan.Areviewonphytoreme-diationoforganiccontaminantsJ.ChineseJournalofAppliedEcon-logy,2003,14(3):457460.2楊柳春,鄭明輝,劉文彬,等.有機(jī)物污染環(huán)境的植物修復(fù)研究進(jìn)展J.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002,3(6):17.YANGLiuchun,ZHENGMinghui,LIUWenbin,etal.Thestudypro-gressofphytoremediationoforganicpollutedenvironmentsJ.Tech-niquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl,2002,3(6)；17.3RUBINE,RAMASWAMIA.ThepotentialforphytoremediationofMTBEJ.WaterResearch,2001,35(5):13481353.012345678910空白水蔥(總氮)/(mgL-1)試驗(yàn)前試驗(yàn)后圖3試驗(yàn)前后水體中總氮質(zhì)量濃度變化Fig.3Decreaseoftotalnitrogeninwaterduringtheexperiment00.511.522.53空白水蔥(總磷)/(mgL-1)試驗(yàn)前試驗(yàn)后圖4試驗(yàn)前后水體中總磷質(zhì)量濃度變化Fig.4Decreaseoftotalphosphorusinwaterduringtheexperiment26生態(tài)環(huán)境第15卷第1期（2006年1月）4GARCINUNORM,FERNANDEZ-HERNANDOP,CAMARAC.EvaluationofpesticideuptakebyLupinusseedsJ.WaterResearch,2003,37:34813489.5MCKINLAYRG,KASPEREKK.Observationsondecontaminationofherbicide-pollutedwaterbymarshplantsystemsJ.WaterResearch,1999,33(2):505511.6CEDERGREENN,SPLIIDNH,JENSC.Streibig.Species-specificsensitivityofaquaticmacrophytestowardstwoherbicideJ.Ecotoxi-cologyandEnvironmentalSagety,2004,58:314323.7SRIDHARSUSARLa,VICTORF.MEDINA,STEMENC,etal.McCutcheon.Phytoremediation:AnecologicalsolutiontoorganicchemicalcontaminationJ.EcologicalEngineering,2002,18:647658.8夏會(huì)龍,吳良?xì)g,陶勤南.鳳眼蓮加速水溶液中馬拉硫磷降解J.中國環(huán)境科學(xué),2001,21(6):553555.XIAHuilong,WULianghuan,TAOQinnan.Waterhyacinthacceler-atingthedegradationofmalathioninaqueoussolutionJ.ChinaEn-vironmentalScience,2001,21(6):553555.9夏會(huì)龍,吳良?xì)g,陶勤南.鳳眼蓮植物修復(fù)水溶液中甲基對(duì)硫磷的效果與機(jī)理研究J.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(3):329332.XIAHL,WULH,TAOQN.Phytoremediationofmethylparathionbywaterhyacinth(eichhorniacrassipessolms)J.ActaScientiaecircumstantiae,2002,22(3):329332.10COYNERA.,GUPTAG.,JONEST.EffectofchlorsulfuronongrowthofsubmergedaquaticmacrophytesPotamogetonpectinatus(sagopondweed)J.EnvironmentalPollution,2001,111:453455.11蔣衛(wèi)杰.蔬菜無土栽培新技術(shù)M.北京:金盾出版社,2001:4647.JIANGWeijie,etal.Newtechnologyofaqueousculturingforvege-tableM.Beijing:JindunPress,2001:4647.12史箴,李抗美.氣相色譜法測(cè)定水中有機(jī)磷農(nóng)藥J.四川環(huán)境,1998,17(1):4752.SHIZhen,LIKangmei.Determinationoforganicphosphoruspesti-cidesinwaterbygaschromatographyJ.SichuanEnvironment,1998,17(1):4752.13SharonLaffertyDoty,TanyaQingShang,ANGELAM.Wilsonetal.Metabolismofthesoilandgroundwatercontaminants,ethylenedi-bromideandtrichloroethylene,bythetropicalleguminoustree,LeuceanaleucocephalaJ.WaterResearch,2003,37:441449.14桑偉蓮,孔繁翔.植物修復(fù)研究進(jìn)展J.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,1999,7(3):4044.SANGWeilian,KONGFanxiang.Progressofstudyonphytoremedi-ationJ.Advancesinenvironmentalscience,1999,7(3):4044.15中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,農(nóng)牧漁業(yè)部農(nóng)藥檢定所.農(nóng)藥分析M.3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988:169.INSTITUTEOFCHINESEACADAMYOFAGRICULTURALSCIENCE.AnalysisofpesticideM.3rded.Beijing:ChemicalEn-gineeringPress,1988:169.EvaluationofdimethoatedegradationinwaterbyphytoremediationFUYigang,HUANGYa,TENGYanxing,ZHANGYalei,ZHAOJianfuSchoolofEnvironmentalScienceandEng