生物碳固定化白腐真菌修复PAHs污染土壤及作用机理

论文摘要

土壤是人类赖以生息的重要环境资源之一。确保土壤环境安全和土壤资源的可持续利用是保障整个生态环境安全的重要基础,也是维护人类生存和健康的基本保障。然而,土壤污染日趋严重,危及地下水安全和人群健康。目前,缓解和修复土壤持久性有机污染（POPs）已成为国内外环境科学和土壤科学的研究热点问题和前沿领域之一。本文在总结土壤有机污染水平、控制与修复方法的基础上,重点评述土壤有机污染物的生物有效性、调控原理及其在污染土壤修复中应用的研究进展。论文以白腐真菌群落为代表,研究了微生物对多环芳烃（PAHs）的生物吸附和生物降解,阐述了PAHs生物吸附机理,描述了生物吸附和生物降解对总生物去除的相对贡献及影响因素;研究了微生物固定化基材生物碳对PAHs的化学萃取性和植物吸收积累的影响,分析了萃取剂性质、生物碳制备温度、老化效应对PAHs化学萃取的影响;探讨了生物碳固定化微生物对PAHs的吸附-降解行为及影响因素,特别是生物有效性的调控机制;选择东北污灌区PAHs污染土壤,深入研究固定化白腐真菌修复实际土壤中16种PAHs的情况;试图为生物碳及固定化微生物技术用于土壤有机污染修复,发展经济、高效、安全的土壤有机污染修复的实用技术,生产安全农产品提供理论依据与技术支撑。取得了以下主要结论及创新点:（1）探明了白腐真菌对PAHs的生物吸附、生物降解及相对贡献。死体白腐真菌对PAHs的等温吸附曲线为线性,呈非竞争吸附,主要吸附机制为分配作用;有机碳标化的分配系数(Koc)与PAHs的辛醇-水分配系数(Kow)具有很好的线性关系:logKoc=1.13logKow-0.84（n=5,r2=0.996）。生物吸附和生物降解对活体白腐真菌去除PAHs有重要作用,1周内活体白腐真菌对溶液中菲和芘的去除率分别为60-80%和90%,与死体白腐真菌的去除效果相当;但活体白腐真菌体内储存的菲和芘的量分别为40～65%和60～85%,表明PAHs发生了生物降解,降解程度与营养条件有关。在全营养、无碳源、无营养条件下,菲都有发生生物降解,但芘仅在无碳源条件下与菲发生共代谢;菲和芘可作为碳源用于白腐真菌生长。结合培养前后白腐真菌的生物量变化,PAHs的活体白腐真菌表观分配系数与死体白腐真菌分配系数比值（Kd*/Kd）可用来判别不同营养条件下生物降解发生情况。（2）用化学萃取法和水稻秧苗暴露法评价了微生物固定化基材生物碳对PAHs的吸附锁定作用及阻控原理。有机溶剂可完全萃取P100、P300、P400生物碳上的萘、苊、菲、芘,而在P700上的萃取回收率分别为84.55～100.3%、85.11～106.0%、21.14～61.41%、6.56～15.69%,表明P700对菲、芘具有强的吸附锁定作用,其中芘在P700上的稳定性最高;而且PAHs在生物碳上的化学萃取性和生物有效性随老化时间延长而降低。生物碳能明显吸附固定PAHs,降低其生物有效性,与溶液对照相比,添加土壤、生物碳、生物碳-土壤混合样后,水稻秧苗植物体中菲减少23.76%、61.88-94.55%、88.61-91.58%,芘减少32.35%、53.33-96.08%、66.27-93.73%;植物根中PAHs的积累量与溶液中自由溶解态PAHs浓度呈正相关,而茎叶中PAHs积累量则与根部PAHs浓度呈线性相关,生物碳阻控植物吸收积累PAHs的主要机制为其降低溶液中自由溶解态PAHs浓度。（3）率先制备了生物碳固定化白腐真菌材料,阐述了其对PAHs的吸附锁定-生物降解作用,并用于东北污灌区PAHs污染土壤修复。生物碳固定化白腐真菌材料上吸附态PAHs可生物降解,其中P300、P400固定化白腐真菌对PAHs的降解作用强于P100、P700固定化白腐真菌。发现加入生物碳固定化白腐真菌材料后,东北污灌区污染土壤中16种PAHs的可萃取浓度和可萃取率均显著降低,并且随着生物碳炭化温度升高而降低,随着加入时间的延长而变得平缓,归因于生物碳载体的吸附锁定作用和固定化菌的生物降解作用。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 土壤中有机污染物的生物有效性调控与修复研究进展
• 1 土壤有机污染
• 2 土壤中有机污染物的生物有效性
• 2.1 土壤对有机污染物的吸附作用
• 2.2 土壤有机污染物的生物有效性
• 2.3 土壤有机污染物的老化作用
• 3 有机污染土壤控制与修复
• 3.1 阻控作用
• 3.2 植物修复
• 3.3 微生物修复
• 3.4 联合修复
• 4 问题提出及论文的研究思路
• 第二章 典型环境介质中PAHs的分析方法
• 1 材料与方法
• 1.1 试剂与仪器
• 1.2 样品前处理
• 1.3 分析测定
• 2 结果与讨论
• 2.1 典型环境介质中菲、芘的方法回收率
• 2.2 土壤样品中16种PAHs的方法回收率
• 3 小结
• 第三章 白腐真菌对PAHs的生物吸附与生物降解
• 1 实验部分
• 1.1 实验材料及仪器
• 1.2 实验方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 白腐真菌体的化学表征
• 2.2 白腐真菌对PAHs的等温吸附曲线
• 2.3 生物吸附和生物降解在白腐真菌去除PAHs中的相对贡献
• 2.4 活体白腐真菌和死体白腐真菌的分配系数比较
• 3 小结
• 第四章 生物碳固定化材料对PAHs的锁定作用及生物有效性影响
• 1 实验部分
• 1.1 实验材料和仪器
• 1.2 实验方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 生物碳上PAHs的化学萃取性
• 2.2 不同老化时间下生物碳上PAHs的萃取性
• 2.3 生物碳固定化白腐真菌对PAHs的吸附-降解
• 2.4 生物碳降低植物吸收积累PAHs
• 3 小结
• 第五章 生物碳固定化白腐真菌修复PAHs污染土壤及影响因素
• 1 实验部分
• 1.1 实验材料和仪器
• 1.2 实验方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 东北污灌区土壤中PAHs的浓度与分布
• 2.2 生物碳固定化白腐真菌修复东北污灌区PAHs污染土壤
• 2.3 固定化方式、磁性对生物碳固定化菌修复土壤PAHs的影响
• 3 小结
• 第六章 研究结论、创新点及展望
• 1 研究结论
• 1.1 白腐真菌对PAHs的生物吸附与生物降解
• 1.2 生物碳固定化材料对PAHs锁定作用和生物有效性的影响
• 1.3 生物碳固定化白腐真菌修复东北污灌区PAHs污染土壤
• 2 主要创新点
• 3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间完成的论文及专利