【摘 要】
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邻苯二甲酸二丁酯（Dibutyl phthalate,简称DBP）是邻苯二甲酸酯（PAEs）类化合物中最为普遍的一种,作为农用塑料薄膜的主要成分之一,其在黑土中的污染严重。钾在植物代谢过程的激活中发挥着关键作用,然而土壤钾的利用率往往受到土壤DBP污染的不利影响而下降,从而使各类作物减产。生物修复具备修复彻底、对人类和环境造成的影响最小的优势而得到广泛认可,被认为是去除土壤中DBP的最佳途径。解钾
【基金项目】
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国家杰出青年自然科学基金项目的资助,黑土污染与生物修复,项目编号为41625002；
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邻苯二甲酸二丁酯（Dibutyl phthalate,简称DBP）是邻苯二甲酸酯（PAEs）类化合物中最为普遍的一种,作为农用塑料薄膜的主要成分之一,其在黑土中的污染严重。钾在植物代谢过程的激活中发挥着关键作用,然而土壤钾的利用率往往受到土壤DBP污染的不利影响而下降,从而使各类作物减产。生物修复具备修复彻底、对人类和环境造成的影响最小的优势而得到广泛认可,被认为是去除土壤中DBP的最佳途径。解钾菌能够将土壤中难溶性钾转化为可以被植物吸收利用的速效钾,缓解污染环境对土壤钾利用率的限制。将DBP降解菌和解钾菌联用制备复合菌剂可以同时解决土壤DBP污染和肥力下降问题。然而,土壤中污染物很容易导致一些功能性菌株失去活性,因此保护菌株免受DBP胁迫是制备复合菌剂需解决的关键问题。聚多巴胺（PDA）具有良好的生物物相容性,容易包覆于各类基质上且不会对环境造成二次污染,可以作为将有机壳引入活细胞的涂层材料。本研究采用Fe3O4改性生物炭负载PDA固定的解钾菌Paenibacillus sp.KT（内）和DBP降解菌Enterobacterium sp.DNB-S2（外）制备了可循环利用的复合菌剂（KPSB）。探究了降解菌和解钾菌的最佳配比,优化PDA包覆KT的条件,并通过表征手段明确菌株的包覆机制。研究DBP降解的机理及不同环境条件下的复合菌剂作用效果,以达到去除DBP同时提高土壤速效钾含量目的。本研究主要结果如下:（1）成功制备了Fe3O4改性生物炭MBC-CMC,并对其进行表征。以典型农业废弃物玉米秸秆为原料,500℃下热解制备秸秆基生物炭。将Fe3O4和羧甲基纤维素钠（CMC）负载于BC上制备改性生物炭MBC-CMC。通过SEM、BET、FTIR、XRD、XPS以及VSM表征材料。研究发现MBC-CMC表面粗糙,存在细小颗粒。比表面积、孔体积以及平均孔径均明显提高。吸附和解吸等温线符合IV型等温线,表现出H3型回滞环等温线。MBC-CMC上存在多种官能团,包括C=C、C-O和-OH。MBC-CMC的饱和磁化比值为7.51 emu/g,磁选效率为92.8%,具有良好的回收潜力。（2）创制新型复合菌剂,探究其污染去除效能及养分增效机制。采用响应面法优化PDA对解钾菌包膜条件,优化包覆时间、PDA浓度以及接菌量,并测定不同包覆条件下解钾菌的解钾效果,确定PDA包覆解钾菌的最佳包覆条件为KT接种量2%,多巴胺单体含量1.50mg/mL,包覆时间0.5 h。将DBP降解菌和PDA包覆解钾菌固定于改性生物炭MBC-CMC上创制新型功能菌剂KPSB。pH值为5、7和9时KPSB的DBP降解率分别达到98.50%、98.72%、和98.41%,解钾效率分别增加了1.58、2.24和2.73倍。通过对微观结构的观察和对产IAA能力、产有机酸能力以及基因表达量的测定,明确复合菌剂的增效作用机制。微观结构图表明固定化的KT菌株具有更完整的细胞膜和细胞结构,而游离的解钾菌很容易被DBP损伤甚至发生破裂。KPSB的解钾能力相对于纯菌明显提升,其产小分子有机酸的总量增加,小分子有机酸的种类有一定改变。在多种离子(Fe3+和Zn2+)存在下,表面包覆PDA涂层的菌株表现出良好的生长能力。DBP降解菌中DBP降解相关酶（oph A4）、谷胱甘肽S-转移酶（junni GL003465）和膜完整性（junni GL003628）基因表达显著增加,促进了DBP降解。（3）将复合菌剂KPSB施用于20 mg/kg DBP污染黑土中,考察了其在不同温度（15℃和30℃）条件下对土壤微生物群落的影响。菌剂施用7天后DBP的降解效率分别为79.17%和96.45%,28天后速效钾含量相较于原始土壤分别提高25.22%和27.92%。高通量测序结果显示,与原始土壤相比,DBP污染会紊乱土壤生态系统,造成土壤中微生物群落丰度和多样性的下降。污染土壤的alpha多样性指数均降低,酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门的相对含量低于原始土壤。而30℃下添加KPSB有助于土壤微生物恢复,Shannon指数和Simpson指数均有一定幅度的上调,同时介导了细菌门的动态变化,提高了变形菌门和厚壁菌门的相对丰度。KPSB的添加还增加了一些DBP降解相关及植物促生相关属的丰度,如鞘氨醇单胞菌、芽孢杆菌和链霉菌等。综上所述,本研究制备了具有良好污染土壤修复效能的新型复合菌剂,并进一步阐释了复合菌剂的作用机理。本研究对寒地黑土中DBP污染物的去除具有重要的理论意义和应用价值,为污染黑土环境友好修复技术的开发提供了新的思路。
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