玉米和小麦对城市污泥施用土壤中多氯联苯的吸收和传输特征

刘婉玉，李 珺，王 森*，袁 琪

1. 西北大学城市与环境学院，陕西省地表过程与环境承载力重点实验室，陕西 西安 710127

2. 陕西西安城市生态系统定位观测研究站，陕西 西安 710127

城市人口激增和工业化发展导致城市污水处理厂污泥产量大幅上升[1]，污泥处置不当会造成严重的环境污染[2-3]. 污泥制肥农用曾是城市污泥资源化处置的重要方式之一[4-6]，能增加土壤孔隙度、有机质和营养元素含量等[7-8]，促进作物增产和品质改良[9]，却不可避免地将病菌、重金属和有机污染物等引入土壤[10-15]. 多氯联苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)是一类重要的持久性有机污染物，易吸附在土壤和沉积物中[16]，通过植物在食物链中传递，威胁生态系统和人体健康[17]. 我国多个城市污水处理厂污泥中检出PCBs，且电器、木材加工、化工等工业污水是PCBs的主要来源，例如，浙江地区[18]和北京市[19]污水处理厂污泥PCBs含量分别为0～147 ng/g(平均值为70 ng/g)和66.5～157.0 ng/g(以dw计)〔平均值为101.0 ng/g(以dw计)〕，其中PCBs含量较高的污泥都来自工业污水处理量较高的污水处理厂；江苏省常州市和上海市的部分脱水污泥PCBs含量[18]高于我国城市污泥农用控制标准〔200 ng/g(以dw计)〕[20]，因此污泥农用存在较高的PCBs暴露风险. 污泥施用后土壤的PCBs污染程度与污泥类型和施用量等因素有关，向乌栅土中施入不同类型(苏州市、曲阳市和无锡市脱水污泥)的污泥后，土壤PCBs含量增幅不同[21]；厌氧消化污泥施用农田后，土壤PCBs含量比未施用处理高4～10倍[22].

PCBs可以通过植物根系吸收的方式由土壤进入植物[23]，有研究表明，植物在高浓度PCBs污染土壤中种植8周后根系PCBs含量为47~6 500 μg/g[24]；不同植物对土壤PCBs的吸收存在差异，如龙葵和烟草在110 mg/kg的PCBs污染土壤中种植收获后，其根系PCBs含量分别为80.8和32.8 mg/kg[25]. 植物对PCBs的吸收促进了土壤PCBs消减[26]，苜蓿种植90 d收获后土壤∑PCBs含量下降36%[27]，不同植物(高羊茅、芥菜和苜蓿)种植18个月后土壤低氯代PCBs〔一氯代PCBs(mono-PCBs)~五氯代PCBs(penta-PCBs)〕含量降低17%~27%[28]. 相较于高氯代PCBs，低氯代PCBs更易被植物根系吸收进而从土壤中去除，如种植黑麦草加强了土壤中二氯代PCBs(di-PCBs)和三氯代PCBs(tri-PCBs)的去除[29]，高羊茅和苜蓿种植150 d收获后土壤tri-PCBs含量显著降低[30]. 植物根系富集PCBs后随蒸腾流向地上部分传输，研究表明秋茄在高浓度PCBs处理下，根系吸收PCB-47和PCB-155后进行茎向传输[31]，通常低氯代PCBs由于较强的亲水性更易进行茎向传输[32]；且植物的传输能力具有种属差异，如西葫芦Gold Rush比Patty Green对PCBs的传输能力更强[33].

近年来，关中地区城市污水处理量不断提升，污泥产量也随之增加，如西安市污泥产量从2014年至2017年增长约50%[34-35]，西安市曾是我国PCBs原料的产地，也曾有大量PCBs产品在此使用[36]. 关中地区污水处理厂污泥PCBs含量为9.64~213.85 ng/g(平均值为53.65 ng/g)[37]，污泥施用易造成农田土壤PCBs污染；但目前关于关中地区城市污泥施用农田后，土壤及植物中PCBs的分布研究仍然有限. 该文基于不同植物种属、污泥施用量和污泥类型的土壤盆栽试验，以关中地区城市污泥为研究对象，分析污泥施用后农田土壤-植物体系中PCBs的分布特征，研究PCBs在玉米和小麦中的吸收、传输特征与差异，以期为评估城市污泥施用农田土壤的PCBs环境风险提供重要科学依据.

1 材料与方法

1.1 盆栽试验

该研究以玉米(郑单958)和小麦(周麦22)为供试植物，土壤采集自陕西省西安市长安区农田(全氮含量0.869 g/kg，有机质含量8.43 g/kg，pH为7.70)，晾干后过75目(0.675 mm)筛待用. 城市污泥采集自陕西省西安市高新区某污水处理厂(G)、西安市莲湖区某污水处理厂(L)、咸阳市礼泉县某污水处理厂(X)和韩城市龙门镇某污水处理厂(H)，污泥以tri-PCBs、tetra-PCBs等低氯代PCBs为主(占比>90%)，∑PCBs含量为41.57~213.85 ng/g (以dw计)，有机质含量为100.19~350.17 g/kg，具体污水处理厂的污泥信息参考文献[38]，将污泥置于冷干机−65 ℃下冷干，研磨后过75目筛置于−20 ℃冰箱待用.

土壤盆栽培养试验共设置7个不同的处理(见表1)，各处理用字母、数字和符号的组合形式表示，如G100M表示施用100 g污泥G种植玉米，G100W表示施用100 g污泥G种植小麦，G200M表示施用两倍污泥G(200 g)种植玉米，CK表示无污泥施用土壤种植玉米，每个处理重复3次. 盆栽试验在恒温光照培养箱中进行，盆内壁套聚丙烯袋以避免PCBs被盆壁吸附，污泥和土壤按比例均匀混合后装盆，并在每盆土壤表面覆1 cm无污染空白土壤以降低土壤PCBs挥发. 用去离子水调整混匀后的土壤含水量为田间最大持水量的60%～70%[39]，在盆中栽种经灭菌、催芽的小麦和玉米. 每天向土壤中加入霍格兰营养液，用称重法定期补充土壤水分. 植物在培养箱中随机摆放并定期更换位置，种植70 d后分别收取植物根系和地上部分，用去离子水清洗后分别装入自封袋，冷干后置于−20 ℃冰箱；收取土壤样品时，去掉每盆表层2 cm土壤，将剩余土壤混匀，取50 g土壤冷干、研磨、过75目筛后置于−20 ℃冰箱待用.

表 1 盆栽试验信息Table 1 Information of pot experiments

1.2 样品中PCBs的提取与测定

1.2.1样品中PCBs的提取

取土壤样品5.00 g(植物样品1.00 g)加入6 mL超纯水(植物样品加入5 mL超纯水)和回收率指示物BDE-71后振荡，再加入10 mLV(正己烷)∶V(二氯甲烷)=1∶1后振荡混匀，置于4 ℃冰箱冷藏20 min后加入1 g NaCl和4 g MgSO4，振荡混匀，离心后移取4.5 mL上清液加入0.05 g乙二胺-N-丙基硅烷和0.15 g MgSO4，振荡混匀后进行离心，移取上清液置于KD浓缩瓶中，氮吹浓缩后过0.22 μm有机系滤膜，加入内标PCB-204后用正己烷定容至1 mL，待测[38].

1.2.2样品中PCBs的测定

使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS, QP2010)测定土壤、植物根系和地上部分的PCBs. 采用不分流进样，分析39种PCBs(PCB-1、PCB-2、PCB-3、PCB-4、PCB-6、PCB-8、PCB-9、PCB-16、PCB-18、PCB-19、PCB-22、PCB-25、PCB-28、PCB-44、PCB-52、PCB-56、PCB-66、PCB-67、PCB-71、PCB-74、PCB-82、PCB-87、PCB-99、PCB-110、PCB-138、PCB-146、PCB-147、PCB-153、PCB-173、PCB-174、PCB-177、PCB-179、PCB-180、PCB-187、PCB-194、PCB-195、PCB-199、PCB-203、PCB-206)，根据标准系列中各色谱峰的保留时间、碎片离子质荷比及其丰度等对样品中的目标化合物进行定性分析，根据定量离子的峰面积，采用内标法进行定量，具体测定过程参考文献[38]. 对照处理中未检测到目标化合物，PCBs加标回收率在68%~103%之间.

1.3 样品中有机质的测定

称取土壤样品5.00 g于离心管中，加入30 mL 0.1 mol/L HCl持续振荡，反应48 h后土壤溶液中无气泡产生，而后对样品进行洗涤、离心、烘干、研磨过筛，将样品置于干燥器中待测[40]. 通过元素分析仪(EA3000, EuroVector, Intaly)测定土壤有机碳含量，土壤有机质含量可利用土壤中一般有机碳含量(58%)进行换算(100/58=1.724, “Van Bemmelen因数”为1.724)，即土壤有机质含量(g/kg)=1.724×土壤有机碳含量 (g/kg)[41-42].

1.4 数据统计分析

采用SPSS 25.0软件对不同处理土壤间、植物根间以及地上部分间的∑PCBs及PCBs同系物含量进行显著性差异分析(ANOVA).

2 结果与讨论

2.1 污泥施用土壤中PCBs的分布特征

2.1.1污泥施用土壤中PCBs的污染水平

无污泥施用处理(CK)土壤∑PCBs含量低于检出限，所有经污泥施用处理的土壤中均检测到PCBs，∑PCBs含量为12.60~30.18 ng/g (以dw计)〔平均值为18.02 ng/g (以dw计)，见表2〕，表明污泥施用造成土壤PCBs污染. 污泥施用处理下，土壤∑PCBs含量在种植植物后为6.25~18.05 ng/g (以dw计)〔平均值为10.55 ng/g (以dw计)，见表2〕，且较种植植物前均呈现不同幅度下降，∑PCBs消减率为20.00%(X100M')~79.30%(L100M'). 有研究发现，紫花苜蓿种植75 d收获后轻度和重度污染土壤∑PCBs含量分别下降15.8%、23.5%[43]，紫云英种植收获后土壤∑PCBs含量下降23.0%[44]，龙葵和鱼腥草种植50和90 d后土壤∑PCBs含量分别下降20.1%、22.8%[45]，表明种植植物对污染土壤PCBs有消减作用.

表 2 种植植物前后土壤PCBs的含量Table 2 Concentrations of PCBs in soil before and after planting

同类型同量污泥施用后，玉米对土壤∑PCBs的消减率(G100M'，30.90%)高于小麦(G100W'，25.36%)，相关研究也发现了不同植物消减土壤PCBs的差异性，如刺槐对土壤∑PCBs的消减率高于西葫芦[46]. 不同污泥施用量处理下，土壤∑PCBs的消减率存在差异，其中单倍污泥施用量处理(G100M'，30.90%)高于双倍污泥施用量处理(G200M'，20.77%). 有研究[9]发现，污泥施用量越低，土壤中多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)的消减率越高. 污泥类型影响土壤PCBs消减，在不同污水处理厂污泥施用处理下，西安市莲湖区某污水处理厂污泥施用处理土壤∑PCBs消减率(L100M'，79.30%)远超其他3个污水处理厂污泥处理(20.00%~42.84%)，这可能是由于其低氯代PCBs含量最高. 通过以上分析可见，植物种属、污泥施用量、污泥类型和PCBs同系物组成等因素均会造成土壤PCBs消减率的差异[39].

2.1.2污泥施用土壤中PCBs同系物的分布特征

种植植物前，污泥施用土壤主要以低氯代PCBs(占比为85.34%~99.44%，见图1)为 主，∑低 氯代PCBs含量〔12.53~27.16 ng/g (以dw计)〕显著高 于∑高氯代PCBs〔六氯代PCBs(hexa-PCBs)~九氯代PCBs(nona-PCBs)〕含量〔0.07~3.02 ng/g (以dw计)，见表2〕(P<0.05). G100M和G100W处理mono-PCBs含量 最高，H100M处 理di-PCBs含量最高，G200M和X100M处理tri-PCBs含量最高，L100M处理四氯代PCBs(tetra-PCBs)含量最高. 种植植物后，所有污泥施用处理土壤仍以低氯代PCBs为主(占比为79.73%~92.81%，见图1)，∑低氯代PCBs的占比较种植植物前有所降低(X100M'除外)；各处理∑低氯代PCBs含量〔4.98~16.75 ng/g (以dw计)〕较种植植物前均降低，但仍显著高于∑高氯代PCBs含量〔1.02~1.74 ng/g(以dw计)，见表2〕(P<0.05). 涂晨等[47]研究也发现，种植植物(紫花苜蓿、黑麦草和高羊茅)后土壤均以低氯代PCBs(di-PCBs~penta-PCBs)为主，且低氯代PCBs百分含量在种植植物后降低，这可能是因为土壤中低氯代PCBs比高氯代PCBs更易被植物根系吸收和根际微生物消减[48].

图 1 种植植物前后土壤PCBs同系物百分含量的变化Fig.1 Changes in the percentage concentrations of soil PCBs homologues before and after planting

与种植植物前相比，种植植物后多数污泥施用土壤中更低氯代PCBs同系物占主导(见图1)，如G200M处理下土壤中百分含量较高的PCBs同系物在种植植物前为tri-PCBs和tetra-PCBs，种植植物后(G200M')为mono-PCBs和tetra-PCBs；L100M处 理下土壤中百分含量较高的PCBs同系物在种植植物前为tetra-PCBs和penta-PCBs，种植植物后(L100M')为mono-PCBs和di-PCBs. 种植植物后土壤PCBs同系物可能发生了脱氯降解，更低氯代的PCBs百分含量升高. 有研究表明，植物根系可以直接降解代谢土壤PCBs[49]，也可以通过释放根系分泌物将PCBs降解为低氯代PCBs或将其完全矿化分解为无毒化合物[50]；植物根系分泌物与根际微生物的互利作用也促进了PCBs降解[51]，因此该研究种植植物后土壤PCBs发生消减，更低氯代的PCBs百分含量升高.

图 2 土壤和植物不同部位PCBs同系物的百分含量Fig.2 Percentage concentrations of PCBs homologues in soil and different parts of plants

2.2 植物根系和地上部分PCBs的分布特征

无污泥施用土壤种植玉米的对照处理(CK)下，玉米地上部分和根系干质量分别为1.28～1.38、0.99～1.12 g，污泥施用处理下玉米地上部分和根系干质量分别为1.36～1.52、1.05～1.22 g，污泥施用促进了玉米生长但差异不显著(P>0.05)，表明污泥施用对植物的生长没有产生太大影响.

对不同处理下植物体PCBs分析可见，PCBs在无污泥施用处理(CK)的玉米地上部分和根系中均未检出，在各污泥施用处理的植物根系〔∑PCBs范围为26.35～55.46 ng/g (以dw计)〕和地上部分〔∑PCBs范围为37.13～49.74 ng/g (以dw计)〕均有不同程度检出(见表3)，表明该试验植物地上部分的PCBs主要来自根系从土壤吸收后的茎向传输. 植物种属、污泥施用量和污泥类型均会造成植物根系和地上部分∑PCBs含量的差异. 同类型同量污泥施用后，玉米根系∑PCBs含量〔G100M'，31.70 ng/g (以dw计)〕显著低于小麦〔G100W'，55.46 ng/g (以dw计)〕(P<0.05)，而地上部分∑PCBs含量〔48.24 ng/g (以dw计)〕显著高于小麦〔37.14 ng/g (以dw计)〕(P<0.05)，植物不同部位对PCBs的吸收差异与植物种属、蒸腾作用等因素有关[52-53]. 不同污泥施用量处理下，双倍污泥施用量处理(G200M')玉米根系和地上部分∑PCBs含量均高于单倍污泥施用量处理(G100M')(P>0.05). 申荣艳等[39]研究发现，与单倍污泥施用量处理相比，双倍量常州污泥施用后雪韭根系∑PCBs含量升高，地上部分(植株)∑PCBs含量降低；而双倍量扬州污泥施用后紫花苜蓿根系和地上部分(植株)∑PCBs含量均降低，表明提高污泥施用量对植物根系和地上部分PCBs含量的影响存在差异. 不同污泥类型施用下，施用H污泥的玉米根系∑PCBs含量〔H100M'，48.05 ng/g(以dw计)〕显著高于G100M'、X100M'和L100M'处理〔∑PCBs范 围 为26.35～32.43 ng/g (以dw计)〕(P<0.05)，施用G污泥的玉米地上部分∑PCBs含量〔G100M'，48.24 ng/g (以dw计)〕高于施用其他3个污水处理厂污泥处理〔∑PCBs范围为37.13～43.57 ng/g(以dw计)〕(P>0.05，H100M'除外). 有研究表明，施用常州污泥(40 g/kg)处理的三叶草根系∑PCBs含量低于扬州污泥处理，而地上部分∑PCBs含量高于扬州污泥处理[39]，可见不同污泥类型对同种植物不同部位PCBs含量的影响也不同. 各处理植物地上部分∑PCBs(PCB-28、PCB-52、PCB-138、PCB-153、PCB-180)含量为4.29～5.14 ng/g，低于GB 13078−2017《饲料卫生标准》中植物性饲料原料限值(10 ng/g)[54]，若该研究中玉米和小麦秸秆应用于动物饲养，其生态风险较低.

表 3 植物根系和地上部分PCBs的含量Table 3 Concentrations of PCBs in plant roots and above-ground parts

通过对种植植物后的土壤、植物根及地上部分PCBs同系物平均百分含量(见图2)的进一步分析，发现PCBs同系物的组成在土壤、植物根及地上部分相似性较高，均为低氯代PCBs占主导，百分含量占比最高的同系物分别为tetra-PCBs、mono-PCBs、mono-PCBs. 低氯代PCBs总占比在土壤、植物根及地上部分呈现依次上升趋势(分别为85.82%、89.38%、92.49%)，这也与大多数研究结果[55-56]相似. 如对植物(小飞蓬、苏门白酒草、水寥)不同组织PCBs的研究也发现，植物地上部分低氯代PCBs同系物的百分含量比根系更高[55]. 与高氯代PCBs相比，低氯代PCBs更易被植物吸收并向上传输[57]；研究[58]表明，mono-PCBs~tetra-PCBs可由土壤进入杨树根系，而mono-PCBs~tri-PCBs可进一步传输至杨树地上部分；同时，被植物吸收的PCBs还会代谢降解，因此植物地上部分有更高的低氯代PCBs含量[59]. 因较高的亲脂性，高氯代PCBs倾向于在植物根脂中富集[60]，根中高氯代PCBs的占比更高.

2.3 植物对污泥施用土壤中PCBs的吸收和传输特征

2.3.1植物根系对污泥施用土壤中PCBs的吸收

污泥施用处理下，∑PCBs的根富集因子〔RCFs(root concentration factors)=C根系/C土壤〕为2.18~6.28，各PCBs同系物的RCFs范围为0.00~18.43，表明植物根系富集了土壤中的PCBs. 同类型同量污泥施用后，小麦根系(G100W'，5.90)的RCFs∑PCBs显著高于玉米(G100M'，3.64)(P<0.05)，且各PCBs同系物的RCFs也较高(di-PCBs，P<0.05)；小麦根系对mono-PCBs(6.67)、di-PCBs(6.21)的富集较强，玉米根系对mono-PCBs(9.41)、di-PCBs(10.40)、penta-PCBs(10.64)、hexa-PCBs(9.51)的富集较强，表明植物根系对土壤PCBs及其同系物的吸收存在种属差异[61].

同种污泥不同施用量处理下，植物根系对PCBs的吸收存在差异，RCFs∑PCBs在单倍污泥施用量处理(G100M'，3.64)下 高 于 双 倍 污 泥 施 用 处 理(G200M'，2.18)，有研究发现菜心根系对低浓度PAHs污染土壤的RCFs高于高浓度PAHs污染土壤[62]；单倍污泥施用量处理下，mono-PCBs~tetra-PCBs和hexa-PCBs的RCFs也高于双倍污泥施用处理. 由于西安市高新区某污水处理厂污泥有机质含量(339.6 g/kg)较高，双倍污泥量的施用不仅提高了土壤∑PCBs含量，也促使土壤有机质含量升高，因此被土壤吸附的PCBs更多，进入植物中的较少[7,39]，植物根系的RCFs较低.

不同污泥类型施用处理下，玉米根系对PCBs的吸收也不同. 韩城市龙门镇某污水处理厂污泥施用处理下RCFs∑PCBs最高(H100M'，6.28)，且mono-PCBs~tri-PCBs和hepta-PCBs~nona-PCBs的RCFs也 高 于其他3个处理(G100M'、L100M'、X100M')，推测主要是因为韩城龙门镇某污水处理厂只处理工业污水，其有机质含量(100.19 g/kg)低于其他3个污水处理厂(322.17~350.17 g/kg)，PCBs易于被该处理植物根系吸收.

2.3.2污泥施用土壤中PCBs在植物体内的传输

污泥施用处理下，∑PCBs的传输因子〔TFs(translocation factors)=C地上部分/C根系〕为0.67~1.65，各PCBs同系物的TFs范围为0.00~4.25. 同类型同量污泥施用后，玉米和小麦对PCBs的传输存在显著差异，玉米(G100M'，1.52)的TFs∑PCBs显著高于小麦(G100W'，0.67)(P<0.05)，且 各PCBs同 系 物 的TFs也 较高(mono-PCBs，di-PCBs：P<0.05)，表明PCBs在玉米体内更容易进行茎向传输；玉米和小麦对mono-PCBs的传输最强，TFs分别为2.07和0.78. 有研究[63-64]也指出，不同植物种属对有机污染物传输的差异性，如不同植物(黑麦草、苜蓿、南瓜、西葫芦、玉米、萝卜)对十溴联苯醚(BDE-209)的传输能力不同，其中苜蓿的传输能力最强[63].

同种污泥不同施用量处理下，双倍污泥施用量处理下玉米的TFs∑PCBs(G200M'，1.24)低于单倍污泥施用量处理(G100M'，1.52)(P>0.05)，且mono-PCBs~dri-PCBs的TFs也较低，而其余PCBs的TFs则高于单倍污泥施用量处理，表明在提升污泥用量后，植物对各PCBs同系物的传输能力不同，相似的研究指出，当植物生长于高浓度PCBs土壤时，植物对高氯代PCBs的传输能力更强[65].不同污泥类型施用处理下，玉米对PCBs同系物的传输存在一定差异. 施用西安市莲湖区某污水处理厂污泥处理的玉米的TFs∑PCBs(L100M'，1.65)高于其他3个 污 水 处 理 厂 污 泥 处 理(H100M'、G100M'、X100M'，0.77~1.52). H100M'、X100M'、G100M'和L100M'处理下，PCBs同系物的TFs分别为0.00~1.32、0.00~1.69、0.00~2.07、0.00~4.25，且G100M'、L100M'和X100M'处理下mono-PCBs的TFs最高，H100M'处理下tri-PCBs的TFs最高. 不同处理低氯代PCBs的TFs值(0.47~4.25)普遍高于高氯代PCBs(0.00~1.56).有研究也指出，低氯代PCBs较于高氯代PCBs更易进行茎向传输[33]，具有更高的TFs值.

3 结论与展望

a）污泥施用土壤以低氯代PCBs为主，植物对土壤∑PCBs有一定消减作用(20.00%～79.30%)，不同处理的PCBs消减能力存在差异：玉米高于小麦、单倍污泥施用量高于双倍污泥施用量、有机质含量最高的污泥施用处理消减率最高.

b）PCBs同系物的组成和含量在种植植物后的土壤、植物根和地上部分的相似性较高，低氯代PCBs占主导，且总百分含量呈依次上升趋势；种植植物后土壤中更低氯代的PCBs占主导.

c）PCBs进入土壤后被植物根系所富集并向上传输. 小麦和玉米对PCBs的吸收和传输存在差异，小麦对土壤∑PCBs及各PCBs同系物的吸收能力均高于玉米，而传输能力则较低. 双倍污泥量施用后，植物对∑PCBs、mono-PCBs~tetra-PCBs、hexa-PCBs的 吸收能力降低. 有机质含量最低的污泥施用处理下植物的RCFs∑PCBs最高，而TFs∑PCBs最低. 不同污泥施用处理下植物对低氯代PCBs的TFs普遍更高.

d）城市污泥农田施用会造成土壤PCBs污染，植物富集土壤PCBs能降低土壤污染水平，但PCBs会通过植物进入食物链逐级传递，对生态系统造成潜在暴露风险. 因此探索合适的污泥施用量和处理方式可为城市污泥的资源化使用提供科学依据，同时筛选具有较强富集能力的植物种属对于减轻土壤PCBs污染具有重要意义.