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生物炭及降解菌剂对污染土壤微生物及功能基因的影响

王启全  
【摘要】:生物炭具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构等特性,可成为廉价高效的环境吸附剂,能够应用于多环芳烃污染土壤的修复。本研究以农用废弃物水稻秸秆为原料,在300℃、500℃和700℃的条件下使用管式炉限氧热解制备生物炭。在此基础上研究热解温度对生物炭元素及官能团组成等性质的影响,同时以持久性有机污染物多环芳烃(PAHs)中的菲(PHE)为研究对象,采用微生物固定化技术,将PAHs降解菌(Achromobacter sp.LH-1)固定于生物炭制备多环芳烃降解菌剂,开展了生物炭及降解菌剂对PHE污染土壤修复作用的研究。通过高通量微生物分类测序技术对修复过程中土壤微生物物种丰富度及群落结构进行分析;同时采用宏基因组测序技术,对土壤环境样本中的全部DNA信息进行定量分析,重点考察了生物炭及多环芳烃降解菌剂对污染土壤C、N、P、S元素循环过程中关键酶基因的表达影响,探究生物炭的使用对土壤中营养元素循环代谢过程的影响情况,进而揭示生物炭的应用对土壤生态环境的影响。主要研究结果如下:考察不同温度下所制备生物炭的结构性质影响规律及对多环芳烃吸附能力的影响,发现随着热解温度的升高,生物炭的产率逐渐下降、灰分含量逐渐上升、极性官能团逐渐减少、还原性以及芳香化程度逐渐增强,产生更多的孔径结构;同时在三种温度下制备的生物炭对PHE吸附能力存在差异性,300℃、500℃及700℃下热解的生物炭对PHE吸附率分别达到了76.3%、91.2%和76.3%。表明500℃下制备的生物炭吸附PHE能力最强,适合作为吸附剂对PHE污染土壤进行修复试验。通过向无污染土壤施加生物炭的模拟盆栽试验发现,在施加生物炭后,土壤中的全氮、全磷、全钾以及有机质含量上升,蔗糖酶、磷酸酶以及脲酶的酶活升高,并提高了土壤含水量以及土壤pH值,表明生物炭改良了土壤的理化性质,提升土壤养分。研究结果表明经生物炭处理的PHE污染土壤的PHE降解率为85.4%,经多环芳烃降解菌剂处理的PHE污染土壤的PHE降解率为93.4%,土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量均有所增加,磷酸酶及蔗糖酶酶活升高。表明生物炭及多环芳烃降解菌剂对PHE污染土壤均有较好的修复效果。通过高通量测序技术对经生物炭及多环芳烃降解菌剂处理的PHE污染土壤中微生物丰富度及群落结构变化进行考察,发现向土壤中添加生物炭,可以增加土壤微生物种群的丰富度。通过对微生物群落结构分析可知,土壤中变形杆菌门(Proteobacteria)及酸杆菌门(Acidobacteria)为土壤中的优势菌门,这两种菌门丰富度接近土壤整体门丰富度的50%。在属水平上对土壤微生物群落进行分析,发现生物炭及多环芳烃降解菌剂对污染土壤中微生物群落结构有显著的影响,生物炭的添加使Subdivision3 genera incertae sedis sp.、Ohtaekwangia sp.、Lysobacter sp.恢复至无污染土壤水平,使土壤生态系统得以恢复,并在菌液处理组与菌剂的处理组中均检测到了较高丰度的菌属Achromobacter sp.,此菌属为菌剂中所包含的外加菌属,表明多环芳烃降解菌剂中的Achromobacter sp.能够在土壤稳定存在,并对土壤中多环芳烃起到了积极的降解作用。通过宏基因组测序技术考察了生物炭与多环芳烃降解菌剂治理PHE污染土壤的过程中,参与土壤碳、氮、磷及硫元素循环过程中微生物酶的功能基因变化情况。结果表明,生物炭处理会使参与土壤碳、氮、磷和硫循环过程关键酶的调控基因丰度发生显著的变化。这表明生物炭在对土壤进行修复的同时,能够将结构复杂的纤维类物质降解为易被利用的碳化合物,促进了土壤中难降解有机物的转化与迁移,对于碳循环有重要的促进作用,进而加速碳元素的生物地球化学循环。在氮循环酶基因的研究中发现,生物炭的添加会使固氮过程中关键的酶基因丰度以及硝化作用关键的酶基因丰度降低,导致土壤中由微生物活动所生成的氨含量降低;生物炭提升了反硝化过程中亚硝酸盐还原酶基因丰度,但降低了一氧化氮还原酶及氧化亚氮还原酶基因的丰度。生物炭由于含有大量的硝酸盐,会流入土壤中使土壤中硝酸盐积累,同时土壤中反硝化作用硝酸盐还原酶的基因丰度降低,最终土壤中的硝酸盐含量上升;一氧化氮还原酶的基因丰度降低,可以有效的降低温室气体N_2O的排放从而保护生态环境。在对磷循环酶基因的研究中发现,生物炭对PHE污染土壤磷循环关键酶的基因丰度影响较小,表明生物炭对土壤的磷循环过程影响较小;在对硫循环酶基因的研究中发现,生物炭的添加提升了土壤硫氧化过程中硫氧化酶的基因丰度,降低了硫还原过程的相关酶基因丰度,使土壤中氧化态硫的含量升高,硫酸盐及硝酸盐含量增加。多环芳烃降解菌剂会使土壤碳、氮、磷和硫循环过程关键酶的调控基因丰度发生显著变化。在对碳循环酶基因的研究中发现,向土壤中添加多环芳烃降解菌剂提升了土壤固碳酶的基因丰度,使土壤中碳含量增加,同时也提升了碳降解过程中关键酶的基因丰度,加快了土壤中碳素的生物地化循环过程;在氮循环酶基因的研究中发现,菌剂的添加会使固氮过程中关键的酶基因丰度降低,提升硝化作用关键的酶基因丰度,降低反硝化过程中硝酸盐还原酶基因丰度;在硫循环酶基因的研究中发现,多环芳烃降解菌剂对硫循环基因的影响较小,并不能改变土壤中硫循环过程;在对硫循环酶基因的研究中发现菌剂能够提升土壤硫氧化过程中硫氧化酶的基因丰度,降低硫还原过程的相关酶基因丰度,表明硫的代谢可能逐步增加土壤中硫酸盐及亚硫酸盐的含量。综上所述,通过相关酶基因的变化分析,多环芳烃降解菌剂的添加会增加土壤中的碳含量,使土壤中易被植物及微生物利用的碳含量升高,加快了碳循环过程;多环芳烃降解菌剂增加了硝化作用的酶基因丰度,土壤中微生物产生的硝酸盐含量增加。同时菌剂提升了硫氧化酶的基因丰度,使土壤中的硫向氧化态转化,硫酸盐及亚硫酸盐的含量升高。


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