海带渣生物炭固载降解菌在PAHs污染土壤修复中的应用

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多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一类广泛分布于环境中的持久性有机污染物,它们不仅给人体健康带来风险,还会对生态环境造成难以估量的危害。在众多修复多环芳烃污染土壤的方法中,生物技术因其环境友好、高效、低成本被广泛应用,在此基础上,添加生物炭等功能材料进行强化,比降解菌自身具有更好的去除效果。海带渣是海带加工过程中的主要固体废弃物,本论文以其为主要来源,对比其他三种农业废弃物,分别制备生物炭及铁改性生物炭,探究它们固载降解菌后,对土壤中难降解的苯并[a]芘(benzo[a]pyrene,BaP)的去除效果,主要研究结果如下:(1)将海带渣和玉米秸秆、稻壳粉、杨木屑四种生物原料,在450°C厌氧条件下热解制备成原始生物炭,再经氯化铁溶液等处理,分别得到对应的铁改性生物炭。电镜观察发现,海带渣生物炭及改性生物炭,在结构特性上明显不同于其他三种材料制备的6种生物炭。它们均为以介孔结构为主,比表面积分别为4.9476 m2/g和11.7279 m2/g,孔体积分别为0.021081 cm3/g和0.048768 cm3/g,具备充足的吸附位点。而且,铁改性海带渣生物炭较未改性生物炭的官能团数量和种类更丰富。(2)考察了海带渣生物炭(kelp residue biochar,KBC)对BaP的吸附过程机制及其对降解菌的负载能力。研究表明:常温条件下,KBC对BaP的吸附与Langmuir等温线拟合相符,理论最大吸附量为55.14 mg/g。它们的吸附行为符合准二级动力学方程,在240 min时达到吸附平衡,说明吸附方式以化学吸附为主。而且,在低浓度盐酸作用下,KBC对BaP也具有强烈的解吸作用。当吸附时间为12 h,初始p H7.2,KBC与降解菌比例10:1时,单位负载量最大,为7.0×1011cfu/g,此条件用于后面的降解实验。(3)在50 mg/L BaP的无机盐培养基中,固载降解菌的KBC和KMBC在14 d内对BaP的降解率为50.32%和60.77%。同样条件下,对于浓度为100 mg/L BaP的降解率分别为35.82%和41.24%。仅添加降解菌的降解率为31.88%。在实际污染土壤(4.96 mg BaP/kg土壤)中,固载降解菌的KBC和KMBC在14 d内的降解率分别为76.07%和86.98%,高于玉米秸杆70.53%、杨木屑72.13%和稻壳粉75.43%。(4)评估了固载降解菌的KBC/KMBC对土壤生态功能的影响。结果表明,生物强化过程增加了PAHs污染土壤中的有机质、铵态氮、有效磷和速效钾含量,但是受PAHs胁迫,土壤脱氢酶和多酚氧化酶活性降低,微生物多样性减少,对PAHs有良好适应和降解能力的优势功能微生物增加。
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