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《浙江大学》 2012年
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黑炭对菲的土水界面行为及土壤微生物群落结构的影响

王萍  
【摘要】:防治和修复土壤有机污染、保障土壤环境安全、以实现土壤资源的可持续利用是当前全球关注的一个焦点。研究有机污染物在土壤中的环境行为及作用原理,搞清土壤组分与有机污染物的相互作用关系,解决有机污染土壤根际修复中关键的科学及技术问题,可为针对性地发展经济高效的土壤有机污染防治和修复实用技术提供理论依据。 黑炭是自然界的一种天然吸附剂,由于具有较大比表面积,对多环芳烃等持久性有机污染物质的吸附、解吸、迁移、转化、降解、残留等环境行为有着重大影响。论文在评述有机污染物的黑炭吸附行为研究现状、阐述有机污染土壤微生物修复的影响因素、修复过程中的黑炭效应及黑炭修复机理的基础上,以典型的疏水性有机化合物(HOCs)多环芳烃类有机污染物菲为研究对象,围绕其在土壤不同组分的非线性吸附特征、控制条件下的消减动态、以及微生物学响应规律等方面展开研究,主要结果如下: 供试的9种土壤的理化性质差异甚大,是从南到北呈现出明显变化趋势的地带性土壤。Freundlich方程可以更好地拟合地带性土壤对菲的吸附数据,土壤对菲的吸附均表现出非线性。土壤有机质组分是影响土壤中菲吸附行为的重要因子,尤其是胡敏酸(HA)对菲的吸附能力起主导作用,但同时也受到无机组分及其性质(阳离子交换量、Ald含量)的影响。数据分析显示文献中报道的KOC值只适用于有机质含量中等的土壤,因此认为在应用线性经验常数及其推测KOC值等系数来表征吸附剂的吸附特性时须小心谨慎,在较低和较高的溶质浓度下,基于简单线性分配假说的推论可能导致对菲吸附行为的预测产生巨大偏差。 添加黑炭后,土壤对菲的吸附数据均可用Freundlich和DRDM两种方程进行拟合,结果表明两种方程都能较好地描述菲的吸附行为,黑炭的添加大大增加了土壤对菲的吸附能力。大部分Freundlich方程拟合的吸附等温线都呈非线性,表征非线性程度的n值均小于1。而线性方程几乎不适用于描述添加黑炭的土壤对菲的吸附行为。随着黑炭含量的增加,黑炭对土壤吸附菲的贡献率随之增加,当土壤中有机质含量较低时,添加黑炭对地带性土壤吸附菲的过程起主导作用。黑炭添加量为1%时,黑炭基本上控制了低有机质含量土壤对菲的吸附行为。 以往大量研究表明,随着黑炭添加量的增加,其Freundlich拟合参数中表征非线性的n值呈逐步降低趋势,即黑炭添加量越大,非线性程度越高。我们的研究结果表明,对于大部分的供试土壤来说,随着黑炭添加比例的增加,n值确实持续降低,但是对于有机质较高的土壤,其本身含碳类有机分子就多,土壤中主导非线性吸附的“硬碳”类有机质与添加的黑炭之间产生竞争吸附,掩蔽了对菲吸附的总体位点,从而出现了在有机质较高的土壤中,较高黑炭添加量并没有导致n值进一步下降这一结果。 菲的土壤解吸等温线均能用Freundlich模型进行较好的拟合,菲在同一黑炭添加量下吸附与解吸拟合参数存在差异,表明菲在添加黑炭土壤上解吸不是吸附的简单可逆过程。结果表明菲在各土壤中的滞后系数HI基本大于0,反映了菲在各土壤中的解吸均存在一定程度的滞后性。菲在有机质较低的南方土壤中的解吸滞后较小,而在有机质较高的北方土壤上的解吸滞后性略强。迟滞系数基本上随着黑炭添加量的增加而升高,表明土壤添加黑炭后,吸附的菲被解吸的难度增加,解吸迟滞作用逐步加强。 黑炭的添加显著降低了菲在红壤和黑土中的消解速率。同时,黑炭添加到有机质含量及主要粘土矿物成分存在较大差异的红壤和黑土后,由于两者之间不同粘土矿物组分与黑炭形成特异的复合体,对菲的吸附/固持位点产生不同影响,从而导致了红壤和黑土之间菲可提取态残留的差异,即红壤中黑炭添加量较高而菲的可提取态残留却较低这一特异性现象。 红壤与黑土两种土壤的磷脂脂肪酸主成分分析结果表明,在培养试验中,时间因子是影响微生物群落结构变异的首要因子,而黑炭添加占次要地位。但两种土壤的微生物群落结构变异存在一定的差异。黑土磷脂脂肪酸主成分分析表明,第一主成分变异值占总变异的66.7%,远远高于第二主成分变异值得11.0%,表明在菲胁迫下,时间因子对黑土微生物群落结构变异的影响占绝对主导地位。而红壤中第一主成分变异值38.7%与第二主成分变异值27.0%相差不是很明显。由此说明,对于不同的土壤,可能由于其自身固有微生物群落的明显差异,导致黑炭添加情况下菲胁迫的微生物学变异机制也存在本质上的差异。黑土中较高含量的有机质组分对菲的固持/锁定可能是导致以上差异的根本原因。此外,研究还表明革兰氏阳性菌相对于革兰氏阴性菌、真菌和放线菌来说来说,较易受菲污染胁迫的影响,真菌和放线菌可能在降解土壤中菲的过程中起主要作用。
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