土壤团聚体对PAHs生物有效性及其结合残留形成的影响机制

Soil aggregates are the main places of material and energy transformations within the soil, which has an important influence on the bioavailability and bound residue formation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The previous studies mainly emphases the only role of soil organic matter (SOM) on the sorption and sequestration of PAHs, however, the role of physical occlusion on the PAHs within soil aggregates has never been taken seriously. In this proposal, artificially spiked PAH-contaminated soils and long-term field PAH-contaminated soils will be used from the standpoint of soil aggregates. FTIR, SEM, X-ray diffraction, specific surface area analyzers and other modern instruments will be used to characterize the structure of organic matter, mineral types and pore structure of soil aggregates. Combined with 13C isotope labeling technique, the following major research contents are included. The effect of aging time on the distribution and forms (bioavailable, extractable and non-extractable fractions) of PAHs in soil aggregates will be studied; the effects of SOM, minerals and aggregate structure on PAH aging and bound residue formation will be revealed; the effects of variation of soil aggregate structure on the bioavailability of PAHs and release of PAH-bound residues in soil aggregates will be ascertained; the mechanisms of bound residue formation of PAHs in soils will be elucidated. The results of this project will provide theoretical bases and possible measures for environmental risk assessment, remediation and management of PAH-contaminated soils.

土壤团聚体是土壤中物质和能量转化的主要场所，对多环芳烃（PAHs）的生物有效性和结合残留的形成都具有重要的影响。已有的研究主要强调了单一土壤有机质（SOM）对PAHs的吸附和锁定作用，而土壤团聚体结构对PAHs的物理封闭作用却未被重视。本项目从土壤团聚体的角度出发，采用人为添加PAHs的污染土壤和野外长期PAHs污染土壤，利用FTIR、SEM、X衍射、比表面积分析仪等现代仪器来表征有机质结构、矿物类型和团聚体孔隙结构等特征，并结合13C同位素标记技术，研究老化时间对PAHs在土壤团聚体中的分配特征及其存在形态（有效态、可提取态和结合残留态）的影响，揭示SOM、矿物以及团聚体结构对土壤中PAHs老化和结合残留形成的作用，探明土壤团聚体结构的变化对PAHs生物有效性及其结合残留释放的影响，阐明土壤中PAHs结合残留的形成机制，为PAHs污染土壤的环境风险评估与修复治理提供理论依据和可行的措施。

项目从土壤团聚体的角度出发，以野外多环芳烃（PAHs）长期污染土壤和无PAHs污染土壤为研究对象，利用物理和化学分组方法将土壤分成不同粒径团聚体和有机质组分，研究了可提取态和结合残留态PAHs在野外污染土壤不同组分中的分配特征和生物有效性，以及老化时间对芘在不同土壤组分中结合残留态的形成和生物有效性的影响，主要结果如下：⑴ 6个野外污染土壤中，轻组的质量百分比只有1.0~9.8%，但其富集的PAHs量却占土壤中PAHs总量的5.9~60.6%，且轻组中PAHs生物有效性较高；⑵ 3个野外污染土壤中，结合残留态PAHs的占比分别为4.02±1.62%、11.07±1.80%和39.43±2.16%，与土壤比表面积呈显著性正相关（p<0.05），与土壤微孔面积和微孔体积大小顺序也都一致，表明了团聚体结构对结合残留态的形成具有重要影响，且2～3环PAHs比5～6环PAHs更容易形成结合残留。有机碳含量高的土壤中结合残留态PAHs越难被降解，且结合残留态PAHs中2～3环比5～6环降解更少，可能是低环PAHs更多的存在于微生物难以进入的土壤孔隙中；⑶ 野外污染土壤中，大团聚体裂解成小团聚体的过程中，暴露出一些原先锁定在团聚体内部的PAHs，促进了PAHs的消解；⑷ 芘在全土中的老化程度要远高于重组，说明轻组和土壤团聚体结构是影响土壤中芘老化的两个最重要因素。各粒径组分中结合残留态芘的含量随粒径的减小而增加，有机质含量和土壤颗粒比表面积是影响土壤中结合残留态芘形成的主要因素；⑸ 桥键阳离子的种类和有机质含量是影响有机矿物复合体对菲吸附容量的两个主要因素，矿物类型对菲生物有效性的影响不明显。项目研究结果阐明了土壤团聚体结构和有机质含量是影响土壤中PAHs老化和结合残留形成的两个最重要因素，揭示了土壤团聚体结构的动态变化会促进PAHs的消解。已发表学术论文9篇，获批实用新型专利1项。