生物炭对土壤中乙氧氟草醚环境行为及生物有效性影响

来源 :沈阳农业大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:forgetyouba
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二苯醚类除草剂是全球使用量较大的除草剂种类之一,而乙氧氟草醚作为其中具代表性品种,主要被用于防治阔叶类杂草。乙氧氟草醚在土壤中半衰期较长且近些年来的大量使用,导致其在环境中持续积累,即使较低残留仍对环境中敏感作物与生物存在潜在药害作用,最终使得环境生物乃至人体健康存在潜在危害。而在实际农林业生产过程中,乙氧氟草醚多数进入土壤,运用适当方法控制乙氧氟草醚对土壤产生污染显得尤为重要。生物炭作为改良土壤和污染阻控方面新兴材料,被广泛用于土壤中吸附有机物污染物,以达到修复目的。因此,本文全面考虑了不同土壤类型、不同生物炭性质、老化时间等因素,探究生物炭对乙氧氟草醚在土壤环境中吸附、降解、微生物群落结构变化以及生物有效性等方面影响规律,主要结果如下:(1)制备不同生物质原料(稻壳、玉米秸秆、花生壳、栗木、竹子)和热解温度(300℃、500℃和700℃)的生物炭,并对其理化性质以及表面组成结构进行表征。结果表明:不同原料的生物炭间由于原料的性质不同造成pH、元素含量、比表面积以及灰分等存在显著的差别。而相同生物质原料在不同热解温度下制备而成的生物炭,随着温度从300℃升高至700℃其表面灰分含量、比表面积和含碳量逐渐增加,而H和O含量呈降低趋势,且H/C、O/C和(O+N)/C随着温度的升高而降低。经HCl除灰处理后,生物炭表面暴露出更多的孔隙结构;而H2O2处理生物炭与自然老化的理化性质相似,表明H2O2处理可有效的模拟自然老化状态。(2)通过不同种类生物炭对乙氧氟草醚吸附等温结果表明:五种相同温度下制备生物炭中的吸附系数Kf值在481到4125(μg/g)/(mg/L)n范围内,其吸附能力为稻壳生物炭>竹子生物炭>玉米秸秆生物炭>栗木生物炭>花生壳生物炭。而稻壳生物炭伴随热解温度由300℃升高到700℃,其Kf值也从4125变化到7120(μg/g)/(mg/L)n。结合生物炭表征结果可知,乙氧氟草醚的吸附能力与比表面积、元素比(如O/C、H/C以及(O+N)/C)和表面官能团有关,因此生物炭对乙氧氟草醚的吸附作用可能受孔径填充、疏水性分配作用、π-π作用等共同影响。(3)生物炭施用不仅可以增加土壤pH、有机质和总氮含量,且在生物炭添加至3种典型土壤(黑土、红土和潮土)后增强了对乙氧氟草醚的吸附作用。研究结果表明:未添加生物炭三种土壤吸附能力从小到大分别为:红土、潮土、黑土。而在添加生物炭后,吸附能力显著提高,三种典型土壤Kf随着生物炭含量(0.52%)增加提高了1.43.2倍。而随着老化时间的延长Kf值逐渐降低,但即使在老化6个月后,其吸附能力仍是未添加生物炭土壤的1.12.5倍。因此,生物炭对乙氧氟草醚的吸附作用受多种作用因素共同作用,不同类型土壤与生物炭理化性质和结构间的差异以及生物炭老化作用均将导致生物炭中吸附作用的变化。(4)研究五种不同种类生物炭对乙氧氟草醚在土壤中消解影响,结果表明在500℃稻壳生物炭添加后消解过程出现加快的现象。选择不同比例(02%w/w)的稻壳生物炭添加至三种典型土壤中,其半衰期由原来的45d到108d降低至35d到77d,且随着添加量的增加,乙氧氟草醚降解速率呈现加快变化。结合灭菌条件下实验结果,红土在生物炭添加后微生物移除率由29%增加至35%,同时灭菌处理后添加2%生物炭的半衰期也由192d加快至176d,说明化学与生物降解共同参与乙氧氟草醚的消解过程。通过添加水杨酸以及调节生物炭悬浊液、生物炭浸出液以及灰分悬浊液等体系pH,发现化学降解速率与pH以及灰分悬浊液与浸出液中成分有关,证明生物炭添加后通过提高土壤pH、生物炭表面矿物活性物质与可溶性金属离子、以及其产生的羟基自由基促进乙氧氟草醚在生物炭-土壤体系的降解。(5)结合Illumina Miseq高通量测序技术手段初步探究了在乙氧氟草醚残留情况下添加2%稻壳生物炭修复处理对土壤微生物群落组成和结构变化。结果表明:在10倍田间推荐剂量下,细菌群落多样性因乙氧氟草醚而受到显著抑制,而添加生物炭进行改良修复后,土壤微生物群落恢复相对较快,甚至可能刺激微生物丰度与多样性。通过PCoA分析发现:在处理后90天时乙氧氟草醚对细菌群落结构仍产生显著影响,2%水稻壳生物炭修复处理虽然在前60d对群落结构产生影响,但在90d试验结束时,细菌群落结构慢慢恢复而趋于CK对照水平。LEfSe分析发现生物炭修复土壤体系中Rhodococcus、Mycobacterium、Sphingomonas、Pseudomonas菌属的差异或者丰度变化可能在一定程度上说明了500℃稻壳生物炭加快了土壤中微生物对乙氧氟草醚的降解,但目前还没有直接证据证明这一观点,还需更深一步的研究与探讨。(6)通过选用500℃稻壳生物炭添加至三种典型土壤,研究大豆、玉米以及蚯蚓的生物有效性,结果发现:在添加生物炭后,大豆植株和蚯蚓体内乙氧氟草醚浓度明显降低。以黑土为例,随着生物炭添加量(0.52%)的增加,大豆植株内乙氧氟草醚富集量降低了20%63%。同时由于植株组织器官功能的不同,大豆根部含量明显高于茎部。因生物炭的吸附能力会随着老化时间的延长而降低,进而影响乙氧氟草醚在大豆植株以及蚯蚓体内富集量,但在老化6个月后大豆富集量在生物炭添加情况下仍低于未添加生物炭。同时,在大豆植株以及蚯蚓富集试验发现,即使在生物炭老化条件下,Tenax提取乙氧氟草醚浓度以及在整株大豆植物或蚯蚓体内富集量间存在较高相关性(R2=0.80130.9476),说明Tenax可较为准确的预测土壤中生物有效性。通过考察生物炭添加后乙氧氟草醚对后茬作物玉米的影响发现,在2%稻壳生物炭添加后玉米株高和植株鲜重分别是未添加组的9.73和21.8倍,综上可知500℃稻壳生物炭的增加可有效的降低生物有效性,对乙氧氟草醚的造成药害有较好的缓解作用。
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