银川市农业土壤中邻苯二甲酸酯污染特征及其污染土壤微生物修复研究

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邻苯二甲酸酯(Phthalic acid esters,PAEs)作为增塑剂被广泛用于各种产品,极易在产品加工、使用过程释放到环境中。PAEs具有“三致”效应,是一类典型的环境内分泌干扰物,会对人体健康构成严重的威胁。银川平原位于我国西北干旱半千旱地区,生态环境相对脆弱,但土壤类型多样、土质肥沃,适合农业生产的发展和经济作物的生长。随着城镇化、工业化和现代化的迅速发展,各种塑料薄膜、农药、化肥的广泛使用以及污水灌溉范围的扩大等,给土壤环境带来更大威胁,但目前对土壤环境的研究主要集中在重金属、多环芳烃及有机氯农药方面,而对于土壤有机污染物PAEs的研究还尚未系统开展。鉴于此,本研究采集了银川市不同土地利用类型农业土壤,采用气相色谱质谱联用技术,分析了土壤中16种PAEs污染特征、PAEs的百分比组成和来源,对美国环保局(USEPA)和欧盟优先控制的6种PAEs进行了健康风险评价。为了进一步研究土壤中主要PAEs污染物的微生物修复,选择银川市农业土壤中主要的PAEs污染单体,邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二丁酯(DnBP)和邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)作为目标污染物,采用梯度驯化法从设施菜地污染土壤中筛选出一株可同时降解DMP、DnBP和DEHP的降解细菌。通过正交试验得到了该菌株的最优降解条件,然后在最优条件下得到该菌株的生长曲线和降解曲线,最后在培养条件下研究了该菌株对人工污染土壤中PAEs的降解效率,为该区域土壤PAEs污染修复提供一定的理论依据。结果表明:(1)银川市农业土壤中16种邻苯二甲酸酯化合物的含量(∑6PAEs)范围为0.391~11.924 mg-kg-1,平均值和中位数分别为4277mg.kg-1和4.47mg·kg-1。与其他区域相比,处于中度污染水平。且不同土地利用类型中PAEs含量有一定的差异,∑6PAEs和∑6PAEs含量由高到低依次为:大棚菜地>覆膜农田>林地>不覆膜农田>果园>草地。(2)16种PAEs单体中,邻苯二甲酸二苯酯(DpHP)均未检出,DMP、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、DnBP、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)和DEHP的检出率为100%。其中,DMP、DnBP 和 DEHP 分别占∑16PAEs 含量的 44.64%、21.25%和 23.34%,DMP、DnBP 和DEHP是研究区土壤中PAEs污染物的主要组成部分,三者之和占∑16PAEs的89.23%。(3)采用相关分析和主成分分析,分析了农业土壤中PAEs的来源。DIBP、DnBP、邻苯二甲酸二正辛酯(DnOP)、邻苯二甲酸(4-甲基-二戊基)酯(BMPP)和邻苯二甲酸二壬酯(DNP)这些同系物相关性显著(r为0.84-0.97),主要在塑料聚合物工业生产中应用最为广泛。DMP、DEP、邻苯二甲酸二(2-丁氧基)乙酯(DBEP)、邻苯二甲酸二(2-乙氧基)乙酯(DEEP)和邻苯二甲酸二戊酯(DPP)它们之间的相关性显著(r为0.84~0.90),主要应用于各种化肥、农药的使用。DEHP和邻苯二甲酸二环己酯(DCHP),两者之间的相关性显著(r为0.71),也主要作为增塑剂,广泛用于各种塑料产品的生产。(4)人体健康风险评价表明,饮食和非饮食途径下的PAEs单体对人体产生的非致癌风险在可接受范围之内,非饮食途径下的DEHP和邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)单体对人体产生的致癌风险也在可接受范围之内。但对于DEHP单体而言,居民通过饮食途径的致癌风险范围为7.39×10-7~2.9×10-5,平均值为(1.03±0.77)×10-5,超过USEPA推荐的致癌水平(10-6),且40%的土样显示,DEHP通过饮食途径呈现出一定的致癌风险,应当引起一定的重视。(5)从设施菜地污染土壤中筛选得到了一株能以DMP、DnBP和DEHP有机污染物为唯一碳源和能源生长的细菌,经过形态特征、生理生化特征和16S rDNA序列鉴定分析,该菌为微杆菌属(Microbacterium sp.),将其命名为MB1。菌株MB1的最优降解条件为:pH为8,温度为25℃,接菌量为5%,每种PAEs浓度为30mg·L-1。在此最优条件下该菌株呈S型曲线增长,7 d后无机盐培养液中DMP、DnBP和DEHP的降解率分别为99.62%、99.65%和55.26%。(6)DMP、DnBP和DEHP浓度均为50 mg·kg-1人工污染土壤的空白试验和投加菌株修复试验表明:未添加菌液时,灭菌土壤21 d时对DMP、DnBP和DEHP的降解率分别达3.86%、4.19%和2.01%;未灭菌土壤21 d时对DMP、DnBP和DEHP的降解率分别达4.82%、5.99%和3.44%。未灭菌土壤中邻苯二甲酸酯的降解效果略高于灭菌土壤,土壤中土著微生物仅能降解微量PAEs。添加菌液时,21d时土壤灭菌处理中DMP、DnBP和DEHP的降解率分别为94.45%、95.65%和39.21%;而土壤未灭菌处理中DMP、DnBP和DEHP的降解率分别为 94.93%、95.99%和 41.16%。菌株 MB1 对土壤中 DMP、DnBP 和 DEHP 三种 PAEs污染物具有较高的降解能力。
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