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土壤中的镉(Cd)直接影响着土壤生态环境并能通过食物链间接威胁人类健康,含Cd重金属污染土壤的修复是亟待解决的难题。电动技术作为一种新兴的原位修复技术,因其具有适用范围广、高效环保等优点而备受关注。目前电动技术在修复重金属污染土壤的研究大多集中在提高重金属的去除率上,缺乏对修复后土壤酶活性以及微生物群落的评价研究。 本试验以向阴极液添加0.1%浓度的增强剂对含Cd土壤进行电动修复为基础。电压梯度3 V/cm连续通电10天后:采用BCR连续提取法分析了不同截面中Cd形态及含量变化,考查了三种主要土壤酶活性的变化;通过高通量测序技术研究了土壤中微生物群落结构丰度及多样性的变化。运用软件Design Expert8.0.4.1,根据Box-Benken(BBD)中心组合设计原理进行响应面试验设计,优化了电动修复Cd污染土壤操作因素。主要试验结果如下: (1)阴极液中增强剂的添加,改变了电动过程中电流、电渗流和pH的大小,并促进了Cd在土壤中的迁移和形态转化。土壤总Cd去除率为MGDA(63.08%)>富里酸(28.26%)>EDTA(23.75%)>柠檬酸(18.43%)>草酸(16.41%)>清水组(8.73%);和清水组相比,增强剂组降低了Cd的生物有效性。有机酸比螯合剂更能促进弱酸提取态Cd向生物有效性更低的Fe-Mn氧化物结合态转化,其中草酸组Fe-Mn氧化物结合态所占比例提高了11.6%。 (2)电动处理后,所有试验组阳极区域的土壤过氧化氢酶(S-CAT)、土壤酸性磷酸酶(S-ACP)、土壤脲酶(S-UE)活性皆明显低于中间区域,可能与阳极区域土壤pH的降低以及微生物数量减少有关。和清水组相比,富里酸组阴极区域的S-CAT活性提高了60%; MGDA组中间区域的S-ACP活性提高了34.5%;增强剂组(除了EDTA)明显提高了S-UE活性,且富里酸组的S-UE活性整体上处于最高水平。 (3)采用稀释涂布平板法对不同截面土壤中可培养微生物进行计数,所有试验组中微生物数量呈现出阴极区域>中间区域>阳极区域。和清水组相比,阴极区域的细菌和放线菌数量在富里酸组分别提高了29.2%、57.1%,在MGDA组分别提高了30%、39.3%。 (4)采用高通量测序研究土壤微生物群落多样性变化。结果表明,增强剂组中土壤微生物群落的丰度和多样性皆明显高于清水组。从Alpha多样性指数来看,增强剂组的ACE和Chao指数都接近于是清水组的2倍,表明增强剂的加入促进了土壤微生物数量增长;清水组的Shannon指数最低且Simpson指数最高,表明增强剂的加入整体上都提高了土壤中微生物的多样性。 (5)采用高通量测序研究土壤微生物群落结构变化。结果表明,增强剂的添加改变了土壤中细菌优势门、纲、属的相对丰度。和清水组相比,增强剂组中变形菌门的相对丰度都明显降低,降幅为EDTA(65.19%)>MGDA(62.92%)>柠檬酸(62.1%)>草酸(41.66%)>富里酸(30.23%);增强剂组都提高了放线菌纲、酸杆菌纲和α-变形菌纲的相对丰度,显著降低了β-变形菌纲相对丰度,其中草酸组的下降幅度最大为50.24%; Heatmap图表明增强剂的添加(除了草酸)整体上提高了土壤中主要细菌属的丰度。 (6)结果根据Box-Benken(BBD)中心组合设计原理进行响应面试验设计,得到了电动修复Cd污染土壤的最佳方案:MGDA浓度为0.73%,电压梯度为1.28V/cm,处理时间为194h,验证试验结果表明构建的响应面模型能够用于电动修复Cd污染土壤的最优化研究。