Fe2+-热活化过硫酸钠联合微生物修复菲污染土壤研究

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多环芳烃(PAHs)作为典型持久性有机污染物,广泛存在于土壤等环境介质中,因“三致”效应使其污染土壤修复备受关注。化学氧化预处理联合微生物修复的方法可有效缩短处理周期,提高对污染物的去除效果。本文以模拟菲(PHE)污染酸性红壤为对象,采用Fe2+-热活化过硫酸钠(PS)联合微生物修复菲污染土壤,探究过硫酸钠氧化菲的过程与机理及其土壤理化性质的影响,联合以菲和芘(PYR)为模式污染物驯化得到的耐酸性PAHs降解菌系,结合生物修复阶段的降解性能、土壤性质及微生物群落结构恢复,获得过硫酸盐氧化-生物最佳修复工艺条件,探索过硫酸盐-微生物联合修复的新思路和新方法。焦化废水菌源经定向驯化获得的耐酸性PAHs降解菌系,16S r RNA测序结果表明,驯化后群落物种数显著减少,门水平上以变形菌门(Proteobacteria)为主;属水平上以克雷伯菌属(Klebsiella)和假单胞菌属(Pseudomonas)为主,相对丰度分别为75.4%和23.6%。经7 d培养,当p H值为3.9时PHE和PYR的降解率为95.17%和57.06%,中性时对应的降解率为97.65%和70.0%。分离纯化获得三株PAHs降解菌,其中Y2菌-肺炎克雷伯菌(Klebsiella_pneumoniae)在低p H值下对PHE和PYR的降解率分别为97.2%和43.9%,中性条件下对PHE和PYR的降解率分别为85.2%和41.4%,经过驯化,酸性条件下其降解效果更佳。氧化过程的电子顺磁共振(EPR)结果显示,Fe2+活化阶段体系中存在·OH和SO4–·自由基,热活化过程中仅存在·OH。经GC-MS鉴定氧化中间产物主要包括(1,1’-联苯)-2,2’-二甲醛、2-乙基-6-甲氧基萘、邻苯二甲酸二丁酯等,推测PHE氧化同时存在如下降解路径:1)SO4-·和·OH攻击菲的9,10位,生成(1,1’-联苯)-2,2’-二甲醛,再经氧化脱羧开环等反应进一步氧化最终矿化为CO2和H2O;2)SO4-·和·OH攻击菲的2,3位点,氧化开环形成2-乙基-6-甲氧基萘,再氧化生成萘甲酸,进一步反应最终矿化。Fe2+-热活化过硫酸钠与微生物联合修复PHE污染土壤效果表明,氧化剂剂量为3.47%(w/w)的条件下经90 d生物修复PHE效果最佳,接种耐酸菌系组前28d优势明显,但生物修复后期,土著微生物也表现出较好的修复潜力,90 d时接种组与未接种组PHE的降解率分别为98.83%和99.24%。而氧化剂剂量为6.94%(w/w)时,在氧化-生物修复23 d土壤中剩余PHE浓度低于50 mg/kg的工业用地标准,接种外源菌系促进了联合修复中生物修复初期对土壤中剩余PHE的降解。PHE降解率与脱氢酶活性显示氧化剂较高时接种耐酸菌系的效果显著。3.47%w/w的PS氧化联合微生物修复后微生物群落结构与原始土壤相比发生很大变化,且接种耐酸菌系的处理组微生物群落的多样性与丰富度明显高于未接种组及原始土壤。未接种组优势菌门为变形菌门(Proteobacteria),其相对丰度达91.76%,接种外源菌系组的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria,30.39%)、放线菌门(Actinomycetes,25.72%)、酸杆菌门(Acidobacteria,13.76%)和厚壁菌门(Firmicutes,10.92%)。说明外源菌的加入在生物修复前期可提高污染物的降解效果,缩短修复周期,且能快速适应氧化后土壤环境和促进微生物群落的恢复,提高土壤的生物多样性和稳定性。与单独微生物修复相比,联合修复工艺中PS在氧化阶段将部分PHE氧化为易利用的中间产物,为后续微生物恢复提供更多的底物,使得在微生物修复阶段外源菌系的降解效果提高,土著微生物的恢复加快,提高对土壤有机污染的修复性能。
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