有机肥强化南苏丹Sudd湿地碳氢化合物污染土壤的植物修复

摘要

植物修复烃类污染土壤是一个具有挑战性的过程。为了加强植物修复，对土壤进行了已知浓度的含总石油烃(TPH) 75 gkg的人工污染^-1土壤。被污染的土壤，用4种植物（受到植物修复试验稻longistaminata，高粱斑茅，肿柄菊,Hyparrhenia温泉)加上没有植物作为自然衰减的控制。这些植物修复剂经浓度（0、5和10 gkg）修正^-1(土壤)有机肥(牛粪)。结果定植后120天，施粪肥浓度分别为5和10 gkg^-1与自然衰减或单独使用肥料或植物修复剂相比，土壤与有效的植物修复剂结合可以显著提高TPH的降低( )。The study also showed that a treatment combination of manure 5 gkg^-1土壤，与植物补救提供了类似的平均百分比减少TPH作为肥料10公斤^-1泥 （ )。Therefore, the study concludes that use of phytoremediators and manure 5 gkg^-1土壤能促进TPH污染的土壤在南苏丹SUDD地区恢复。

1.介绍

原油活动常常导致土壤生态系统功能的变化[1，2]。原油产品污染土壤导致急需营养的缺乏植物的正常运作[1，3]。例如[3，4]提供了原油污染土壤氮磷含量较低的证据。此外，防水剂的特性还可以阻止水分渗入土壤[五]，导致水和营养缺陷。这些植物生长和微生物种群，使得其中油毒性仍然存在，并且土壤变得不适合植物生长产生不利的影响[4]。

多年来，在石油资源丰富的国家和石油开采国，人们越来越多地采取措施修复受污染的地区[6]. 已经采取了不同的方法：物理、化学和生物方法。然而，其中一些是昂贵的，而另一些则损害了环境，特别是土壤健康和人类生计[3，7，8]。例如，挖掘（物理方法）具有物流运输约束[9-12而焚烧(化学方法)增加了大气中的温室气体，导致全球变暖。这使得利用生物方法如植物修复成为最安全、可行和可取的[13]。植物修复利用植物和微生物[13]。然而，正如前面所指出的，污染的土壤有缺陷的营养成分。为了纠正这一缺陷，另外补充营养物质，如有机肥是必要的[14，15]。

使用有机肥是一种对环境更安全的选择，因为它释放养分的速度较慢，同时也起到了土壤调理剂的作用[4，8，16]。此外，有机肥还含有氮、镁、硫、磷和钾，可以促进植物生长。17-20]。有机肥改善了土壤的物理和化学条件，进一步保持了高微生物负荷土壤有机质的充足供应[4]。这可加快碳氢化合物污染物的降解速度[8，16]。证据由开米等人提供的。[21在他们的黑麦草的研究中，除了堆肥肥料的土壤增加去除石油烃（初级保健中心），而奥巴西等人的速度。[22]报道从与粪肥和市政堆肥生物废弃物处理的土壤除去烃的60-65％。从这些不同的是，本研究利用牛粪phytoremediators的生物刺激由于其在不同的环境中流行使它几乎无成本[23]。在南苏丹，牛粪在本地使用，由于大量的牛。据Catley [24]；南苏丹一个普通家庭拥有四头牛，包括苏德地区。

南苏丹是非洲第三大石油生产国，仅次于尼日利亚和安哥拉。25]。南苏丹苏德地区的原油活动影响了地下草本植物和灌木，也破坏了微生物有机体[26-29]. 随着该地区原油钻探活动的持续进行，这些环境危害预计将进一步恶化[28]。因此，污染土壤中SUDD牛粪原油的生物刺激是必需的，因为它的可用性。牛的实用性粪便和其他生物刺激之前已经报道。在尼日利亚，埃辛等人。[三十]使用牛筋面建立了增强原油污染土壤牛粪提高了其潜在的补救措施，导致污染土壤的恢复。Njoku等。[31发现了同样的效果大豆；艾萨克[32] 用过的黍和Talinum triangulare;和Oyedele和Amoo [33]使用玉米植物而Omara等人证实了类似的结果。[34] 用过的高梁L. (Moench)在乌干达坎帕拉市一个汽车修理厂的石油掺假土壤中。

该SUDD地区，南苏丹，具有双重优势，从这个创新中受益，因为牛粪的患病率[24]，和优异的phytoremediators丰度。Ruley等。[35]成立稻longistaminata，高粱斑茅，肿柄菊,Hyparrhenia温泉作为苏德湿地非常重要的植物修复剂。另外，Ruley等人的早期研究。[28建立了他们在该地区的丰富资源。在2019年的研究中，Ruley和他的同事观察到这些植物物种在污染土壤中降低了超过50%的TPH 75 gkg浓度^-1土壤。尽管这些植物矫正器(如H. RUFA）由Ruley等人证实。[35]和牛的可用性在该区域的粪便，没有研究评估增强种植与牛粪上述phytoremediators原油污染土壤的潜力。因此，本研究的目的是确定牛的最佳浓度粪能够通过在SUDD区域，南苏丹这些phytoremediators增强烃污染的土壤的植物修复的。

2.材料和方法

2.1条。实验场地及设计

该研究是在进行以下的处理一温室中进行;concentrations of cow dung (0, 5, and 10 gkg^-1土壤)和TPH浓度分别为0和75 gkg^-1土壤。从达尔石油作业公司制，操作营地中Paloch，南苏丹获得在实验中使用的原油（光）。四个高效phytoremediators种子从南苏丹SUDD区域（获得表1)。以去除自然衰减处理下TPH，没有植物中使用（即，控制）。四个选定phytoremediators具有用于在SUDD区域评估污染土壤去除超过50％的TPH高电位（表1)。

该试验是在一个完全随机设计（CRD）30个进行处理和使用的GenStat重复三次。This gave 90 treatment pots (5 plants × 2 TPH concentrations × 3 concentrations of cow dung × 3 replicates).

本试验采用养分组成比为1.7:0.6:0.8 (NPK)的部分分解牛粪，在苏德地区未污染的天然土地上收集土壤作为复合表层土样品，深度为0 - 30cm。苏德地区位于北纬60 30 ' -90 30 '和东经300 10 ' -310 45 '之间，海拔320米。表格2显示所使用的土壤样本的特性。

土壤样品风干后筛去残屑，分配到每盆5公斤进行后续实验。土壤、牛粪和原油被彻底混合在一个金属薄片上，然后回到8升的罐子里。聚丙烯罐的底部穿孔，以便排水和通风。它们被贴上各自的处理标签，放置一周后再种植。为配合滤水罐的排水功能，在每个有孔的滤水罐下放置一个盖子，以收集滤过的水。这些水被重新用于灌溉罐子，控制了TPH的损失。此外，定期用去离子蒸馏水冲洗锅盖，将产生的洗涤液倒回相应的锅中，进一步减少TPH的损失。

种子活力是通过浮选技术确定的，那些留在水底的种子被认为是有可能存活的。每棵植物的十粒种子被播种在每一个花盆里;幼苗每盆稀释至3株，用去离子水灌溉，直到试验结束(播种后4个月)，每隔两天浇灌一次，达到田间最大容量。有些花盆里冒出的杂草都是手工拔除的。用叶面喷施乐果(0.05%)处理白粉虱。

2.2。数据采集

在种植后120天收集一次株高、总干物质和TPH降低百分比的数据(DAP)。进行株高测量时，先将地上部分(嫩枝)从土壤表面剪下，然后破坏花盆。这些被小心压碎的罐子被摇进一个大桶，小心地收集根部，然后用自来水冲洗，风干，除去地表水。测定了分区植株的鲜重。为了确定植物的总干物质产量，每个植物部分在65°C的恒温下烘干。拔除根部后，每个花盆(种植的和未种植的)中的土壤先进行均质处理，然后取样并保存在- 4°C，直到进一步处理和分析TPH。用10ml二氯甲烷(DCM)提取5g土样，测定TPH浓度。然后过滤，蒸发，并通过硅胶注射到气相色谱仪。采用Varian CP-3800气相色谱仪，配备火焰离子化检测器(GC-FID)， DB-5毛细管柱采用100%聚二甲基硅氧烷(30 m×0.25 mm I.D×0.25)无开孔进样器µ米膜厚度)。载气为流动速率为1.5 mL/min的氦气，注入器和检测器温度分别为300℃和320℃。柱头压力为175 kPa。程序设定烘箱温度初始温度为35℃，初始保持时间为8℃/min，温度速率为27℃/min，最高温度为100℃，温度速率为35℃/min，最高温度为300℃，最终保持时间为5 min。GC-FID的校准采用以下标准:2、10、25和1000 mg/L。TPH的计算采用程序化的集成事件时间表。采用美国环境保护署(USEPA) SW-846系列9071Bd5法计算TPH浓度。收获后的土壤样品最终气相色谱仪结果中减去TPH降解的百分比，产量乘以100%。通过加入空白样本，提高数据的评价，保证了所使用的一批土壤提取物的质量。空白样品用无烃土壤制备，然后用相同的提取技术和已知数量的正常烷烃进行处理，以检查回收率。 The hydrocarbon components were analyzed by gas chromatography techniques. The data were displayed as Total Ion Chromatogram (TIC). The information obtained from TIC was used to identify or classify individual components contained in the sample. The reference material was obtained from Petroleum Laboratories, Research and Studies of Sudanese Petroleum Corporation (SPC).

2.3。统计分析

利用Genstat分析株高、总干重和土壤中TPH百分比减少的数据，生成处理方法，采用Fisher’s Least Significant Difference (LSD) test，在5%显著性水平下进行处理。

3.结果

3.1。株高和干重

The mean plant heights for the control with cow dung manure treatments were higher than that of all treatment combinations with TPH concentration 75 gkg^-1土壤。Generally, and as would be expected, the shortest plants were observed at treatments where there was no manure applied yet the soil was contaminated with TPH concentration 75 gkg^-1土壤（表3)。在TPH浓度为75 gkg的处理中，植物生长(以高度而言)明显提高^-1泥with either application of manure 5 or 10 gkg^-1土壤。在株高方面，5和10 gkg处理组合之间无显著差异^-1泥with TPH concentration 75 gkg^-1泥 （ ）(表3)。

The plants in the control yielded more dry weight content than in all treatment combinations with TPH concentration 75 gkg^-1土壤。Generally, and as would be expected, the light weight plants were observed in treatments where there was no manure applied yet the soil was contaminated with TPH concentration 75 gkg^-1土壤（表4)。There were more pronounced reductions in the total plant dry weight in all the four phytoremediators in treatment combination of 75 gkg^-1分别土粪和TPH浓度。This improved with the addition of manure 5 and 10 gkg^-1泥to TPH-contaminated soils (75 gkg^-1土），导致增加的生物质产量用于研究的所有植物物种。However, a least significant difference between treatment combinations of manure 5 and manure 10 gkg^-1泥with TPH concentration 75 gkg^-1土壤在S、 兰草（ ）而在没有观察到显著差异H. RUFA，O. Longistaminata,T. diversifolia（ ）(表4)。

3.2。有机肥对土壤烃类污染的植物修复作用

在四个phytoremediators与粪肥处理TPH的平均百分比减少在120天后测量种植后（图1)。控制的减少(即，泥s with no phytoremediator planted) were lower than those in treatments with 0, 5, and 10 gkg^-1土壤肥料浓度。由此可见，施用有机肥5和有机肥10 gkg是明显的^-1与不施粪肥的植物整理器处理相比，土壤改善了TPH的降低百分比。无显著差异( ）in mean percentage reduction of TPH were observed between the manure 5 and 10 gkg^-1四种植物的土壤处理(图1)1)。

从控制和治疗的烃馏分的总离子色谱图（的TIC）显示在图2. 色谱图提供了样品中碳氢化合物组成变化的定性和半定量信息。对照组烃组分中的化合物范围从n-C13到n-C40，在n-C26时最大。单用植物处理，其范围为n-C20～n-C40。在两种植物处理中，肥料5和10 gkg^-1土壤中n-C29 ~ n-C32之间的化合物。

4.讨论

与牛烃污染的土壤的生物刺激在SUDD粪湿地保持电势通过生物除污恢复烃污染的土壤的。这是由大量的提振牛膝草，牛膝草，牛膝草,H. RUFA植物物种如天然存在的phytoremediators [28，尽管它们的生长受到土壤中高浓度TPH的抑制。在本研究中，在不施粪肥处理下，与施粪肥处理和对照处理相比，植物品种生长较短，并记录了轻度干重含量。这种抑制作用是由于原油污染所造成的不利条件，例如拒水，这导致植物对水和氧气的接触减少。这部分解释了植物干重短而轻的原因。另一方面，原油污染物改变了土壤的渗透性等物理性质，影响了植物的生长。这一发现得到了Akinwumi等人的支持。37和纳泽尔[38]世界卫生组织一致认为，原油污染土壤会改变土壤的物理性质，从而影响土壤中总有机碳和钾、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐等矿质养分的自由流动。Akubugwo等人提供了更多的光线。[39]以及Wang等人。[40营养缺乏抑制了植物物种在碳氢化合物污染土壤中的生长。

尽管Ruley等人[35]确定四种植物(牛膝草，牛膝草，牛膝草,H. RUFA)作为著名的植物修复者，本研究证实了牛粪的添加可以显著改善植物的生长特性。不施粪肥处理与施粪肥处理在株高和干重( )。在植物高度和干重含量的提高是通过添加牛粪的，因为它包含的高营养组合物因此提供具有营养元素污染土壤归因于失去的营养素的恢复。此外，牛粪是有效，经济，环保型并导致碳氢化合物的完全矿化[41提高植物修复。基于TIC的分析提供了这一效应的证据，该分析显示，120天后碳氢化合物逐渐减少，这意味着一些化合物已经完全生物降解，无法在色谱图中观察到^。基于这一发现，牛膝草，牛膝草，牛膝草,H. RUFA当牛粪增强变得更可行phytoremediators。这种说法押韵Oyedele和Amoo [33牛粪的添加改善了钙、镁、磷、钾和氮素的含量，这些都是促进植物物种生长的重要元素。埃辛等人[三十]还观察到牛粪的普遍存在降低了使用无机肥料的成本，从而进一步降低了清理原油污染土壤的成本。

在本研究中，粪肥用量5gkg的差异不显著^-1泥和10 gkg^-1土壤。研究建议，任何计划都应满足5 gkg^-1土壤为最佳用量。很有可能使用10 gkg^-1土壤可以将任何现存微生物的注意力从以原油为食转移到以牛粪中的营养物质为食。这种转移减缓了植物修复的过程，正如埃辛等人的研究所观察到的那样。三十]该牛粪的过量应用具有使现有微生物放弃原油和转向馈送由牛粪提供的营养物质的潜力。

5.一般结论

在不同的环境中，石油和石油产品抑制植物的生长和发育。TPH通过干扰植物从基质中吸收水分和矿物质的过程来抑制植物的正常功能。同时，它会减缓和阻碍一些新陈代谢过程的发生。例如，当油渗入种皮时，它会导致种子胚死亡。虽然TPH污染土壤的修复是一项具有挑战性的任务，但本研究的结果表明，用牛粪对原油污染土壤进行生物刺激可以显著提高植物的生长参数。因此，这提高了它们作为植物补救者的效率。本研究表明，在5和10 gkg浓度下施用牛粪^-1土壤，具有高效phytoremediators相结合，可增强显著相比自然衰减或用途粪肥或单独phytoremediators的TPH的降低。Furthermore, this study has elucidated that a combination of organic manure 5 gkg^-1泥with a phytoremediator yields the same mean percentage reduction of TPH as 10 gkg^-1土壤。This study concludes that cow dung manure improves the phytoremediation potential of plant species in the Sudd wetland, South Sudan, and recommends the use of a combination of phytoremediators and 5 gkg^-1牛的粪土作为提高整治的最佳结合。牛粪的使用证明具有成本效益相比其他补救技术并提供了一个理想的解决方案，以苏丹南部及其发展伙伴的政府和周围的SUDD地区TPH污染土壤的植物修复。便利条件，支持在该区域这种策略存在诸如高数量牛的可用性，平均每个家庭4头。这礼物以较低的成本在该地区的原油污染土壤修复的潜在机会。

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据可从珍亚历山大Ruley请求（janenajeb@yahoo.com;256756352256）

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

笔者想感谢NORAD为通过SUDD项目资助这项研究（NORHED课题。SSD-13/0021）的马凯雷雷大学朱巴大学和生命科学的挪威大学实施。作者也承认了土壤样品的分析支持石油和天然气，石油达累斯萨拉姆有限公司，苏丹石油实验室，部的。

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J. A. Ruley et al.版权所有这是一篇开放获取的文章知识共享署名许可，其允许在任何介质无限制地使用，分发和再现时，所提供的原始工作正确的引用。