无芒雀麦-污泥系统中泥/土不同比例对PAHs修复效果的影响

王伟，冯圣东，杨志新*，常瑞雪,3，李玉灵，王小敏

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定071000；2.河北农业大学林业科学学院，

河北 保定 071000；3.中国农业大学资源与环境科学学院，北京100193)

无芒雀麦-污泥系统中泥/土不同比例对PAHs修复效果的影响

王伟1，冯圣东1，杨志新1*，常瑞雪1,3，李玉灵2，王小敏1

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定071000；2.河北农业大学林业科学学院，

河北 保定 071000；3.中国农业大学资源与环境科学学院，北京100193)

摘要：城市污水处理厂污泥中含有较高浓度的有毒有害物质多环芳烃(PAHs)，且污泥产量大，如果不经过处理直接农业利用或堆放会导致土壤和作物的污染。本研究利用污泥和土壤不同配比组合(W0%，泥土比0∶1；W25%，泥土比1∶3；W50%，泥土比1∶1；W75%，泥土比3∶1；W100%，泥土比1∶0)的盆栽试验，探讨无芒雀麦-污泥系统对污泥多环芳烃的修复效果。研究结果表明，随污泥含量增加对无芒雀麦株高的影响差异不明显，而生物量却呈现出明显的上升趋势。无芒雀麦对污泥的耐受性表现良好；无芒雀麦对泥/土组合14种PAHs的吸收总量以W100%处理最高，且对3环、4环多环芳烃的吸收量比其他环数优势明显；在不同泥/土组合处理下，无芒雀麦-污泥系统对泥/土14种PAHs总量的去除率在W50%、W75%、W100%处理间没有明显差异，以W75%组合去除率为最高，达85.4%。且含有污泥的所有组合对高环芳烃Pyr、Chry、BaA、BbF、BkF、BaP、InP单体的去除优势表现非常突出，均达到80%或90%以上。综合考虑无芒雀麦的生长状况、吸收量及去除率认为，将耐抗性和去除率高的无芒雀麦作为优选植物资源直接用于城市污泥PAHs的修复是可行的，且以泥土比3∶1为最佳修复组合。

关键词：无芒雀麦；PAHs污染修复；泥/土组合；最佳组合比例；去除率

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是2个或2个以上的芳香环稠合在一起的一类惰性较强、性质稳定，具有致畸、致癌、致突变性的持久性有机污染物。PAHs由于水溶性差，辛醇-水分配系数高，易被吸附于土壤颗粒上，环境含量逐年上升，修复土壤PAHs污染已成为环境领域的热点问题。

污泥是废水处理中必然要产生的固体废弃物。截止到2011年9月，全国每天产生含水率80%的污泥超过7.5万t。现有的污泥处理方法有：污泥农用、污泥填埋、污泥焚烧及污泥建筑材料利用等几个方面，其中约70%未经处理就随意外运、简单填埋或堆放，处置不当的污泥进入环境后，直接会给土壤、水体和大气带来二次污染。以处理工业废水为主产生的污泥中PAHs含量较高，有的甚至达到2000 mg/kg，远远超过了污泥农用的国家标准。

目前以PAHs污染的土壤为基质，利用植物降解和转化土壤PAHs的研究较多[4-5]。沈源源等研究表明紫花苜蓿(Medicagosativa)对土壤PAHs的去除率达48.4%，且对3环PAHs去除较为彻底，对4环及4环以上的PAHs去除效果较差；袁馨研究指出种植黑麦草(Lolium)、甘蓝(Brassicaoleracea)、苏丹草(Sorghumsudanense)、白三叶(Trifoliumrepens)、紫花苜蓿、油菜(Brassicacampestris)的污染土壤中菲的降解率分别高达62.7%，45.72%，76.25%，76.56%，57.80%，26.48%；而关于污泥中多环芳烃的研究国外关注度相对较高[6-8]，国内研究极为薄弱，大多研究主要集中在污泥多环芳烃的分布特征和污泥堆肥降解PAHs[10]以及将污泥作为有机肥料少量施用到土壤带来的污染等方面[11-12]。目前只有零星研究关注到污泥中PAHs植物去除的问题[13]，而将无芒雀麦(Bromusinermis)应用于污泥和土壤组合PAHs的修复特性研究尚未见报道。因此，本研究利用污泥和土壤不同配比混合，通过室内盆栽试验，研究比较无芒雀麦在污泥、土壤不同组合下的植物修复规律差异，为探讨污泥PAHs的植物-污泥的联合修复提供理论依据和技术支持，也为污泥农用安全问题及控制污泥PAHs的安全水平，并防止PAHs过度累积导致土壤质量退化具有重要的现实意义。

1材料与方法

1.1　试验材料

污泥取自保定市污水处理厂，阴干，平衡一周，过3 mm筛，待用。土壤取自河北农业大学标本园，土壤类型为潮褐土，土壤阴干过筛，待用；修复植物为无芒雀麦，其种子购于晶晶艺园种子公司，国产杂交品种。试验用花盆型号为15 cm×20 cm(盆口直径×盆高)。污泥、土壤的基础成分见表1。单体PAHs含量如图1所示。

表1　供试污泥及土壤的基础化学性质

图1　污泥中不同环数和不同种类的PAHs组成分布图谱Fig.1　PAHs components of different rings and types in the tested sewage sludges

1.2　盆栽试验的设计

将风干污泥与土壤按以下配比进行组合，共设5个处理：对照(CK)，土壤3 kg(W0%，泥土比0∶1)；污泥0.75 kg+土壤2.25 kg(W25%，泥土比1∶3)；污泥1.5 kg+土壤1.5 kg(W50%，泥土比1∶1)；污泥2.25 kg+土壤0.75 kg(W75%，泥土比3∶1)；纯污泥3 kg(W100%，泥土比1∶0)。将上述组配基质分别装入高20 cm、盆口直径15 cm、盆底直径10 cm的聚乙烯塑料盆中。按土壤和污泥配比装盆后保持60%的田间持水量于温室中平衡7 d后，种子经催芽后定量播于花盆中，出芽15 d，每盆留苗10株。每个处理3个重复，共30盆。试验从2012 年8月中旬开始至2013年1月中旬结束，土壤水分维持在田间持水量的60%，温室内的温度日间为20~23℃，夜间为17~18℃，光照强度为4500~7300 lx。每2 d随机交换盆钵在温室中的位置以保证光照一致。栽种期间每天定量给水，以保证植物生长所需水分。土壤与污泥组合的盆栽试验处理及PAHs本底含量详见表2。

表2　土壤与污泥组合的盆栽试验处理及PAHs含量Table 2　The different combination treatments of sludge-soil and their PAHs contentsng/g

注：16种PAHs中的苊烯(Acy)、二氢苊(Ace) 在污泥和土壤中的检测结果低于检测限，本文中不再考虑。

Note: The contents of acenaphthylene (Acy) and dihydrogen acenaphthene (Ace) in soil and sewage sludge are lower than limits of detection, so they are no longer considered in this paper.

1.3　样品采集和处理

植物样品：5个月时采集植物样品。收获植物地上部分称重鲜样，并清洗干净，拭干后装入密封袋中冷藏，待测。

土壤样品：植物收获后，将盆中土壤混合均匀后通过四分法取样，密封冷藏，待测。

1.4　样品的测定指标及分析方法

污泥、土壤和植物样品测定的污染物指标为14种多环芳烃，分别为萘(Naph)、芴(Flu)、菲(Phe)、蒽(Anth)、荧蒽(Flt)、芘(Pyr)、苯并(a)蒽(BaA)、屈(Chry)、苯并(b)荧蒽(BbF)、苯并(k)荧蒽(BkF)、苯并(a)芘(BaP)、二苯并(a,n)蒽(DbA)、苯并(ghi)苝(BghiP)、茚苯(1,2,3-cd)芘(InP)。污泥和土壤PAHs含量以风干重计。植物生长指标：地上部生物量和株高，生物量以干重表示。

分析方法：土壤及植株样品中PAHs 含量测定方法采用超声萃取，层析柱净化后用GC-MS 测定。气相色谱仪：安捷伦6890；质谱仪：美国HP5972 系列。具体分析方法见文献[13]。

质量控制：回收率和检测线的测定参考EPA标准方法[14]，回收率采用土壤基质加标法[15]。

1.5　数据统计分析

生物富集因子(BCFs)=无芒雀麦体内PAHs的含量/泥土PAHs含量

植物提取效率(%)=(无芒雀麦地上部分PAHs总量/土壤PAHs总量)×100

泥土PAHs的去除率(Rs)=(C0-Ct)/C0×100%

式中，C0为泥土中PAHs初始含量，Ct为泥土中PAHs的残留含量

采用Excel和SPSS 17.0软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1　泥/土不同组合对无芒雀麦生长的影响

生长5个月后无芒雀麦在不同泥土处理下的株高状况如图2所示。在所有处理中，无芒雀麦株高的范围为52.00~65.33 cm。随污泥含量的增加株高呈现出先增加后下降的趋势，其中W25%处理的株高最大，达65.33 cm，W50%处理的株高最小，为52.00 cm。尽管不同污泥浓度下无芒雀麦株高与对照相比有增减，但经统计检验不同污泥处理之间无芒雀麦株高的差异并不显著(P>0.05)，说明污泥不同组合对植物株高的影响较小。

生长5个月后不同泥/土组合对无芒雀麦地上部分生物量的影响(以鲜重计)见图3。除对照外，无芒雀麦生物量随污泥含量的增加呈现显著增加的趋势，当污泥达到75%时，无芒雀麦的生物量已经远超过对照组。不同泥/土组合之间差异显著(P<0.05)，当污泥达到100%时，生物量达最大，达27.15 g/盆，比对照约高65%。可能与纯污泥的养分含量高有关。这一现象说明了随着污泥含量增加对无芒雀麦的生长有较大的促进作用。

图2　不同污泥组合对无芒雀麦株高的影响 Fig.2　Effect of different sludge-soil combinations on stem length of smooth bromegrass

图3　不同污泥组合对无芒雀麦生物量的影响Fig.3　Effect of different sludge-soil combinations on biomass of smooth bromegrass

图中数据为平均值±标准偏差。不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Data are expressed as Mean±SD in the graphs. Different letters show that differences are significant atP<0.05.

2.2　泥/土不同组合下无芒雀麦对污泥PAHs的提取效果

2.2.1无芒雀麦地上部分PAHs的含量生长期为5个月时，不同泥/土组合下无芒雀麦地上部分14种PAHs总含量如图4所示。无芒雀麦14种PAHs总含量随污泥含量的增加表现出先增加后减少的趋势，其大小顺序为：W75%>W50%>W25%>CK>W100%，其中W75%处理的PAHs总含量最高，为1034.22 μg/kg，而W100%最低，为613.16 μg/kg。

图4　不同泥/土组合下无芒雀麦地上部分14种PAHs的总含量Fig.4　Total PAHs concentrations of aboveground parts of smooth bromegrass under different sludge-soil combinations

进一步对无芒雀麦单体PAHs的含量进行分析，见图5。无芒雀麦中Naph的含量随污泥含量的增加而增加，无芒雀麦对Naph的吸收在纯污泥中表现最好，比对照高出42%；Flt、Anth、BaP和DbA 的含量基本上随污泥含量增加呈先增加后降低的趋势，其中，Flt、Anth、BaP呈现出W75%>W50%≈W25%>CK>W100%的规律，DbA表现出W75%>W50%≈W25%>W100%>CK的规律，且W50%与W25%之间差异不明显。这4种PAHs均在泥土比3∶1的处理中无芒雀麦含量最高，分别比对照高29%，30%，62%，75%，而在纯污泥中无芒雀麦对这4种PAHs的吸收均受到了明显的抑制，Flt、Anth、BaP的含量甚至低于对照；Phe、Pyr和Chry 含量随污泥含量的增加先增加后减少，呈现W75%≈W50%>W25%>CK>W100%的规律，且W75%、W50%处理之间无明显差异。无芒雀麦对Phe、Pyr和Chry的吸收均以泥土比1∶1和3∶1表现最高，分别平均高于对照31.5%，30.0%和40.0%；无芒雀麦对Flu单体的吸收规律呈现出W50%≈W100%≈W75%>W25%>CK的结果，W50%、W100%、W75%处理之间差异不显著，说明了在污泥浓度较高时对Flu的吸收有一定的促进作用；BaA含量随污泥含量的增加先上升后降低，呈现W50%>W25%>W100%≈W75%>CK的规律，无芒雀麦对BaA的吸收在泥土比1∶1的处理中表现最好，约为对照的2.4倍；BkF含量随污泥含量的增加先上升后降低，呈现W25%>W75%≈W50%>CK>W100%的规律，无芒雀麦对BkF的吸收在泥土比1∶3的处理中表现最好，约为对照的1.4倍，为纯污泥处理的2.5倍；本研究中无芒雀麦对于高环的BghiP、InP、BbF吸收较低，其测定结果均低于检测限，在全文单体中不再予以考虑。

图5　不同污泥处理下无芒雀麦地上部分PAHs单体的含量Fig.5　The content of singal PAHs in the aboveground parts of smooth bromegrass under different treatments

图6　不同污泥处理下无芒雀麦地上部分14种PAHs的总吸收量Fig.6　The total absorption amount of 14 PAHs in the aboveground parts of smooth bromegrass under different treatments

图7　不同污泥处理下无芒雀麦地上部分PAHs单体的吸收量Fig.7　The absorption amount of single PAHs in the aboveground parts of smooth bromegrass under different treatments

综上，除Naph、BkF、BaA之外，其余8种Flt、Anth、BaP和DbA、Phe、Pyr、Chry、Flu单体在泥土比3∶1的处理中无芒雀麦的吸收均能达到较好的效果。对于所有泥/土组合处理，无芒雀麦中的3、4环PAHs含量占14种PAHs总含量的92%以上，表明无芒雀麦对3、4环PAHs有较好的吸收优势，且Phe、Flt和Pyr 3种PAHs的单体含量均显著高于其他11种PAHs，无芒雀麦对Phe、Flt和Pyr的吸收效果表现突出，而对5环以上的BghiP、InP、BbF吸收最差，均低于检测限1 μg/kg。

2.2.2无芒雀麦地上部分的吸收总量通过综合考虑无芒雀麦生物量及其PAHs的含量，确定了不同泥/土组合下每盆无芒雀麦对14种PAHs及其单体的吸收总量如图6，7。无芒雀麦对14种PAHs的吸收总量随泥土比的增加而增加，其大小顺次为：W100%≈W75%>CK≈W50%>W25%，W100%处理的14种PAHs总吸收量最高，达16.65 μg/盆，且为对照的2.5倍。W25%最低，为3.49 μg/盆。该结果与2.2.1中的无芒雀麦14种PAHs总含量结果不一致，其原因为不同泥/土组合下的生物量大小不同，尽管无芒雀麦14种PAHs的总含量以W100%为最低，但其生物量最大，本研究中不同处理生物量的高低决定着无芒雀麦对PAHs的总吸收量大小。可见，对于具有一定多环芳烃吸收能力的植物，其生物量对植物修复PAHs起着关键性的作用。

进一步分析无芒雀麦PAHs单体的吸收量如图7。无芒雀麦对Phe、Pyr、Flu、Anth、Chry、Naph、BaA 7种PAHs单体的吸收量均随污泥含量的增加而增加，均以W100%处理下吸收量最高，W25%最低；Flt、BaP、DbA、BkF 4种PAHs单体的吸收量均随污泥含量的增加呈现先升高后降低的趋势，并以W75%处理下的PAHs吸收量最高，W25%最低。该结果与2.2.1中的无芒雀麦单体PAHs含量的结果有些差异，同样的，与W100%处理和W75%处理下的生物量比较大有直接关系。

对于所有泥/土组合处理，无芒雀麦对3环、4环多环芳烃的吸收量较其他环数高，且Phe、Flt和Pyr 3种多环芳烃的吸收量显著高于其他11种多环芳烃的吸收量，该结果与2.2.1中的无芒雀麦Phe、Flt和Pyr的含量规律相一致，更进一步证实了无芒雀麦对3环和4环比其他环的多环芳烃确实具有较好的吸收修复效果。

2.2.3不同泥/土组合下无芒雀麦对泥土PAHs的生物富集因子表3为无芒雀麦5个月时11种 PAHs总量及其单体的生物富集因子。由表3可知，无芒雀麦对11 种PAHs总量的生物富集因子随污泥含量的增加呈现逐渐减小的趋势，CK处理下11种PAHs总量的生物富集因子最大，为8.76；W100%组合下11种PAHs总量的生物富集因子最小，为2.20。这与潘声旺等[16]的研究结果PAHs的BCFs生物系数随土壤中PAHs浓度的增大而降低结果一致。

从对11种PAHs总量的富集因子来看，不同组合污泥处理下，除个别多环芳烃如Naph外，其他PAHs无芒雀麦的生物富集因子均大于1，可以认为在污泥和土壤组合环境下无芒雀麦对PAHs的积累具有超富集植物的一些特征。

表3　不同处理PAHs的生物富集因子(BCF)

注：本研究中无芒雀麦中的BghiP，InP和BbF含量均低于检测限，生物因子不予以考虑。

Note: The contents of BghiP, InP and BbF in smooth bromegrass are lower than limits of detection, so their BCFs are no longer considered in this paper.

在所有污泥处理中，无芒雀麦对Naph、DbA的生物富集因子随污泥含量增加呈现出先升后降的趋势，以W50%处理时为最高；Flu的生物富集因子以W75%处理最高；Phe、Anth、Flt、Pyr、BkF、Chry和BaP 7种PAHs的生物富集因子随污泥含量增加呈现出显著降低的趋势。从无芒雀麦对PAHs不同环数的生物富集因子不难看出(表4),无芒雀麦对3环和4环PAHs的生物富集因子远高于其他环数，说明了无芒雀麦对3环和4环PAHs具有明显的富集优势。可见，在生物富集能力上，无芒雀麦可以作为修复3、4环PAHs污染的重要植物种质资源用于污泥与土壤组合的污染修复。

表4　各处理下具有不同环数PAH单体的

2.2.4泥/土不同组合下无芒雀麦对泥土PAHs的提取率表5为不同污泥组合处理下无芒雀麦对PAHs的提取率。可以看出，不同泥/土组合处理中PAHs的提取率均较低，其中，CK处理的提取率均远高于含有污泥的处理，Flt的提取率最高，达10.891%。而含有污泥的所有处理中PAHs的提取率范围为0.012%~1.543%，提取率较低，其中，Phe的提取率最高，达1.543%。从11种PAHs总量的提取率来看，在含有污泥的各处理组合中，W75%处理下的无芒雀麦提取率最高，这与前述的吸收规律相吻合。无芒雀麦的提取效果说明了无芒雀麦的积累或代谢作用并不是污泥中PAHs去除的主要原因。

表5　不同处理PAHs的植物提取率

注：本研究中无芒雀麦中的BghiP、InP、BbF含量均低于检测限，植物提取率不予以考虑。

Note: The contents of BghiP, InP and BbF in smooth bromegrass are lower than limits of detection, so their extraction rates are no longer considered in this paper.

2.3　无芒雀麦-污泥系统对不同组合泥土PAHs的去除效果

图8表明，随着污泥含量增加，无芒雀麦-污泥系统不同组合对污泥PAHs的去除率表现出了先增加后趋于平稳的变化趋势。所有含污泥处理的PAHs去除率范围约为78.4%~85.0%。其中，W50%、W75%、W100%三种污泥处理的14种PAHs总量去除率差别不大，分别为84.6%，85.0%，84.5%，高于W25%处理(78.4%)和CK，并以W75%处理的去除率为最高。无芒雀麦-污泥系统去除率的变化规律与无芒雀麦生长状况及其PAHs含量较为吻合，这可能说明了无芒雀麦的生长和吸收PAHs的能力对污泥PAHs的去除率有一定的影响。另一方面无芒雀麦的生长状况与泥土微生物的活性有积极的交互促进作用可能导致了对污泥PAHs较好的修复效果。但多环芳烃的去除率与无芒雀麦的耐抗污泥的生长能力及其与泥土微生物的交互作用的关系机理尚有待于进一步深入研究。

图8　无芒雀麦-污泥系统不同泥/土组合中∑14PAHs的去除率Fig.8　Removal rates of ∑14PAHs in the smooth bromegrass-sludge system under different treatments

经对无芒雀麦-污泥系统不同组合单体PAHs的去除率进一步分析表明(图9)，含有污泥的处理中无芒雀麦对多环芳烃单体的去除率均远高于对照。14种单体PAHs的去除率在不同处理间存在着明显差异(图9)。Naph、BaA、BbF、BghiP、Pyr、Chry、BaP、InP、Flt、BkF和DbA11种PAHs的去除率基本随污泥含量的增加呈现先增加后减少的趋势；11种PAHs在所有处理中均以W50%的去除率表现最高；Flu、Anth的去除率在0~50%污泥含量下表现较差，而高浓度污泥含量时去除率大幅度增加，表现为W75%的去除率最高；而Phe在W100%处理时去除率最高。可见，对于Naph、Flt、Pyr、BaA、Chry、BbF、BkF、BaP、DbA、BghiP和InP 11种PAHs来说，其降解效果以50%土壤和50%污泥的泥土比为最佳组合；对Flu、Anth来说，其降解效果以25%土壤和75%污泥的泥土比为最佳组合；而对Phe来说，纯污泥(100%污泥)处理下的降解效果最好。总的来看，本试验结果均以污泥含量大于50%以上即高污泥处理下单体多环芳烃的降解效果表现较好。

图9　无芒雀麦-污泥系统中不同泥/土组合下PAHs单体的去除率Fig.9　Removal rates of singal PAHs in the smooth bromegrass-sludge system under different sludge-soil combinations

在所有处理中，不同单体PAHs之间的去除率差异也较大。在W25%处理组合下，去除率达90%以上的单体有Pyr、Chry，达80%~90%的PAHs单体有BaA、BbF、BkF、BaP、InP；在W50%处理组合下，Pyr、Chry、BaA、BkF、BaP、DbA、InP单体的去除率达90%以上，达80%~90%的PAHs单体有Naph、Flt、BbF、BghiP，而其余PAHs均低于80%；在W75%处理组合下，Pyr、Chry、BaA、InP单体的去除率达90%以上，达80%~90%的PAHs单体有Naph、Phe、Flt、BbF、BkF、BaP、DbA、BghiP，而其余PAHs均低于80%；在W100%处理组合下，BaA、Chry、BkF的去除率达90%以上，对Naph、Phe、Flt、Pyr、BbF、InP单体的降解率均达80%以上，而其余PAHs均低于80%。可见，不同组合处理对不同PAHs单体的去除率有较大差异，但总体来看，所有污泥处理均对高环芳烃Pyr、Chry、BaA、BbF、BkF、BaP、InP单体的去除优势表现非常突出，均达到80%或90%以上。说明了无芒雀麦不仅对污泥具有较好的耐受性，而且也具有较强的PAHs去除能力。

3讨论

3.1　污泥不同组合对无芒雀麦生长的影响

本研究表明，无芒雀麦生物量在不同处理之间差异极显著，除CK(不加污泥处理)外，随泥土比例的增加呈现出显著增加的趋势。该研究结果与周志宇等[17]、Tientcheu Tiandeu Cathy[18]得出的生物量随污泥含量增加而增加的研究结论相一致。周立祥等[19]用实验证明了污泥中因含有大量植物生长必需的营养成分，从而对作物生长起到了良好的增产效果。另外，本研究中以W25%处理的生物量最低，可能与投入污泥的养分含量及理化特性有较大关系。当投入25%的污泥量时，尽管比CK处理的养分含量有所提高，但污泥的保肥及持水性与土壤相比表现较差，且投入的污泥养分尚不能满足无芒雀麦的生长需求，其结果生物量低于CK处理，而随着污泥含量增加，尽管污泥的持水性较差，但由于污泥含量增加养分逐渐丰富，再加上无芒雀麦的耐抗性较强，导致其他污泥含量处理的生物量均高于W25%处理。

3.2　污泥、土壤不同组合下无芒雀麦对污泥PAHs的提取效果

我们的研究结果发现，无芒雀麦对14种PAHs的吸收总量随泥土比的增加而增加，W100%处理时14 种PAHs吸收的总量最高。从单体的吸收来看，无芒雀麦对3环、4环多环芳烃的吸收量较其他环数高，且单体Phe、Flt和Pyr 3种多环芳烃的吸收量显著高于其他11种多环芳烃的吸收量。从生物富集因子看，无芒雀麦对11种PAHs总量的生物富集因子随污泥含量的增加呈现逐渐减小的趋势。除个别多环芳烃如Naph外，其他PAHs的生物富集因子在所有处理下均大于1，并认为在污泥和土壤组合环境下无芒雀麦对PAHs的积累具有超富集植物的一些特征。

目前关于利用无芒雀麦直接修复污泥及泥土比组合基质PAHs的研究未见相关报道，仅见堆肥污泥处理的零星报道。研究表明，植物对PAHs的吸收随着堆肥污泥添加比例的增加而上升[18]。另有以土壤为试验基质的研究结果表明，土壤中PAHs浓度越高，植物对PAHs吸收量则越多[20]；田晓雪等[21]同样以土壤为试验基质的研究也证实了树种叶片积累3、4环PAHs单体的量占∑PAHs总量的80%以上，远高于其他PAHs单体。以上这些研究结果均与本研究的结果相符。

很多学者以土壤为基质研究了大量植物对土壤PAHs的生物富集因子，不同植物的生物富集因子差异较大。但综合以往的研究结果，绝大部分植物对土壤PAHs的富集因子较低，均小于1，只有个别植物表现较好。沈源源等研究了紫花苜蓿和多年生黑麦草(Loliumperenne)对土壤PAHs的生物富集因子，其结果分别为0.096，0.085，富集因子明显较低；而张敏等[22]对东北地区23种杂草的多环芳烃超富集特性进行了研究，结果表明，在23种杂草中，只有东北蒲公英(Taraxacumohwianum)、委陵菜(Potentillachinensis)和白屈菜(Chelidonium)三种杂草的富集系数大于1，其余富集系数均较低。本研究无芒雀麦对含有污泥土壤PAHs的富集因子表现较强，绝大多数单体PAHs均大于1。这可能与无芒雀麦本身的吸收特性及其污泥PAHs的生物活性较高有关。无芒雀麦属于须根系的单子叶植物。一般来讲, 单子叶植物的分枝顶生根很精细，覆盖的表面积大，所以单子叶植物对土壤中污染物的积累速率要高些。另外，须根的比表面积远大于主根也可能是导致无芒雀麦这类植物能吸收积累更多有机污染物的原因。Huster和Muller[23]也证实，不同植物种类对污染物的吸收机制存在差异，即使同类作物间也会有所区别。目前，关于不同植物吸收有机物的差异机制尚不明确，也可能与植物间根系分泌物不同有关[23-24]。

3.3　无芒雀麦-污泥不同组合处理对污泥土壤PAHs的修复效果

本研究无芒雀麦对污泥中14种PAHs的总量去除率随污泥含量的增加表现出先增加后趋于平稳的变化趋势，以W75%处理下的去除率为最高，达85.4%。而14种单体PAHs的去除率不同组合间存在明显差异。总的来看，本试验结果表明污泥含量大于50%的高污泥处理下PAHs单体的降解效果较好。所有污泥处理均对高环芳烃Pyr、Chry、BaA、BbF、BkF、BaP、InP单体的去除优势表现非常突出，均达到80%或90%以上。目前关于无芒雀麦修复污泥多环芳烃的研究未见报道。前人主要以土壤为基质对牧草修复土壤PAHs做了大量研究，现将代表性文献中牧草对代表性芳烃Pyr和BaP的去除研究结果汇总于表6。以土壤为基质的这些研究结果大多集中于黑麦草、紫花苜蓿、金发草(Pogonatherumpaniceum)等植物对土壤基质多环芳烃的修复报道，而对芘的降解率范围大概为44.32%~89.21%，苯并芘为50.0%~90.3%。与此相比，本试验无芒雀麦对污泥和土壤不同组合芘和苯并芘的去除率分别为88.38%~95.46%和68.95%~90.56%，可见，无芒雀麦相比于其他牧草而言，对污泥-土壤体系中的芘有较强的修复能力。不仅如此，对大多数高环的降解修复效果显著。然而，经本试验数据的分析，在污泥PAHs的去除过程中，无芒雀麦直接吸收积累的贡献率平均仅占1.9%，与很多学者获得的研究结果类似。Gao和Zhu[31]证实了黑麦草直接吸收对菲、芘去除的贡献率较低， 不足0.01%和0.24%。Cheema等[32]得出了高羊茅直接吸收积累去除菲和芘的量占总去除量的0.1%~1.4%和0.18%~2.04%。沈源源[33]也研究表明了紫花苜蓿和黑麦草的提取效率仅为0.017%和0.013%。因此，可以说明本研究无芒雀麦的直接吸收积累并不是污泥中PAHs去除的主要原因。污泥PAHs去除率高的主要原因在于本试验所用的污泥基质为污水处理厂的活性污泥，微生物活性较高，且本课题组连续2年通过对污泥多环芳烃植物修复效果及其影响机理研究已经发现了微生物降解菌株，并发现随着污泥含量增加无芒雀麦根区污泥中过氧化氢酶、多酚氧化酶、脲酶和脱氢酶活性均增强[13]。另有其他学者也已筛选出了污泥中的降解菌，并认为污泥应该含有或可以产生有助于PAHs降解的微生物[34]或酶类；另一方面根际植物与微生物的相互作用也是促进根际污染物降解的重要原因[35]。在植物修复中，根际微生物与植物可以形成联合(共) 修复体系。Alkorta和Garbisu[36]研究表明，植物每年可向土壤环境释放大量的根际分泌物和脱落的死亡细胞，根际分泌物增加了土壤有机质含量，为根际微生物生长提供了有机碳源，使根际微生物的数量和活性比无根系土壤高2到4个数量级，并且这些微生物对污染物具有较高的同化能力，从而提高了根际有机污染物的生物降解效率。Rentz等[37]也证明添加根系提取物和分泌物可以作为苯并芘的共代谢底物而促进苯并芘的降解。并且，根际微生物的存在对植物的生长也具有一定的促进作用。微生物的存在能够降解有机污染物或改变污染物的存在形态，提高污染物的生物有效性，利于植物对污染物质的吸收，或者使有机污染物的植物毒性减小。Joner和Leyval[38]研究了菌根对污染土壤中PAHs 去除的影响，种植三叶草和黑麦草一段时间后，发现菌根的存在促进了植物的生长和PAHs的降解，并且菌根际PAHs 的降解率高于非菌根际。综上，本研究中的无芒雀麦一土壤、污泥微生物联合作用可能是无芒雀麦修复泥土PAHs效果好的主要途径。该方面将有待于进一步研究探讨。

表6　关于牧草对PAHs修复效果的相关文献结果

4结论

从无芒雀麦的生物量来看，无芒雀麦生物量随污泥含量的增加呈现显著增加的趋势，当污泥达到100%时，生物量最高，达27.15 g/盆，比对照约高65%。

从无芒雀麦对污泥PAHs的富集、积累规律来看，无芒雀麦对14种PAHs的吸收总量随泥土比的增加而增加，且对3环、4环多环芳烃的吸收量远高于其他环数；不同组合污泥处理下，除Naph外，PAHs的生物富集因子均大于1，尤其对3环、4环PAHs的生物富集因子远高于其他环数；含有污泥的所有处理中PAHs的提取率范围为0.012%~1.543%，无芒雀麦提取率最高的为污泥75%和土壤25%组合，单体以Phe的提取率为最佳。

从植物-污泥系统对污泥PAHs的去除率来看，该系统组合W50%、W75%、W100%对污泥PAHs总量的去除率差异不明显，并以W75%处理的去除率为最高，达85.0%。无芒雀麦对多环芳烃单体的去除率含有污泥的处理均远高于对照，尤其对高环芳烃Pyr、Chry、BaA、BbF、BkF、BaP、InP单体的去除优势表现非常突出，均达到80%或90%以上。

综合考虑无芒雀麦的生长状况、吸收量及去除率认为，将耐抗性和去除率高的无芒雀麦作为优选植物资源直接用于城市污泥PAHs的修复是可行的，且以泥土比3∶1为最佳修复组合。

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Effects of sludge/soil ratio on the remediation of PAH-contaminated sludge by smooth bromegrass

WANG Wei1, FENG Shengdong1, YANG Zhixin1*, CHANG Ruixue1,3, LI Yuling2, WANG Xiaomin1

1.CollegeofResources&EnvironmentalScience,AgriculturalUniversityofHebei;KeyLabforFarmlandEcoEnvironmentofHebeiProvince,Baoding071000,China; 2.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071000,China; 3.CollegeofResources&EnvironmentalScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China

Abstract:Wastewater treatment plants produce large amounts of sludge that contain high concentrations of toxic polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), which would pollute agricultural soil and field crops if the sludge had not been treated properly. In this study, pot experiments with different sludge-to-soil ratios (W0%，sludge-to-soil ratio 0∶1；W25%，1∶3；W50%，1∶1；W75%，3∶1；W100%，1∶0) were conducted to determine the phytoremediation effects of Awnless Brome (smooth bromegrass) on PAH-contaminated sludge. The results show that increases in the sludge/soil ratio did not produce significant differences in the stem length of smooth bromegrass. However, biomass exhibited a pronouncedrising trend. In general, smooth bromegrass showed a strong tolerance to the presence of sludge. The absorption of 14 PAHs in total was the highest in treatment W100%, and the absorption of PAHs with 3 and 4 rings was higher than that with other-numbered rings. There was no significant difference in the removal rate of 14 PAHs in total between treatments W50%, W75% and W100%, and the maximal removal rate of 85.4% was found with treatment W75%. The removal of Pyr, Chry, BaA, BbF, BkF, BaP and InP was more effective than that of the other PAHs, with higher than 80% removal rates. Our results suggest that smooth bromegrass could be used as a plant resource for the remediation of PAH-contaminated sludge, given both its strong tolerance to sludge and its high uptake and removal rate of PAHs. A sludge/soil ratio of 3∶1 was found to be the optimal condition for remediation.

Key words:smooth bromegrass; remediation of PAHs pollution; sewage sludge and soil combination; optimal combination ratio; removal rate

*通讯作者

Corresponding author. E-mail：yangzhixin@126.com

作者简介：王伟(1989-)，女，河北唐山人，在读硕士。E-mail：990545706@qq.com

基金项目：863专项(2012AA101403-3)和河北省教育厅项目(Z2013058)资助。

*收稿日期：2014-05-21；改回日期：2014-08-26

DOI：10.11686/cyxb20150217

http://cyxb.lzu.edu.cn

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