基于驯化土添加的生物强化对菲污染修复的研究

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多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)因其具有高毒性、难降解等特点,对粮食安全、水体安全和人体健康造成严重的威胁。消除环境中PAHs污染,保障我国粮食安全和国民健康势在必行。土壤微生物组在PAHs的降解过程中发挥着重要作用,然而大多数土壤微生物不可培养,难以人工构建结构稳定、适应性强、功能高效的土壤微生物组。因此,将富含PAHs降解菌群的土壤作为添加物,生物强化修复PAHs污染不失为一种新的研究思路。本文以PAHs降解的模式化合物——菲为研究对象,选定富集大量菲降解菌群的土壤作为生物强化用土,分析了其中的细菌微生物群落组成,研究了其上清液对液体中菲的降解特性,探讨了生物强化对土壤中菲的降解,最后通过生物强化修复郑州两处热电厂土壤菲污染验证该方法的可行性。研究结果如下:(1)本研究利用污染物菲驯化信阳一处有多年垃圾焚烧历史的场地土壤,通过菲污染土培实验发现,相对于未添加驯化土的处理,添加驯化土能显著提高土壤中菲的降解率,28d对初始污染浓度为50 mg·kg-1菲的降解率为90.09%,菲的半衰期为1.45 d。土壤16S r RNA基因高通量测序结果表明,驯化土中主要富集了链霉菌属(Streptomyces)、红球菌属(Rhodococcus)、类诺卡氏属(Nocardioides)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和分枝杆菌属(Mycobacterium)等菲的高效降解菌。与此同时,还从该生物强化用土中筛选分离出5株菲的降解细菌,经过分子学鉴定,分别为Sphingobium abikonense GHP1,Noviherbaspirillum malthae GHP2,Pseudomonas putida g HP6,Mycolicibacterium pyrenivorans GHP7,Mycobacterium gilvum GHP8。其中,GHP1能够产生生物表面活性剂,促进菲的降解。因此,选定驯化土作为生物强化用土。(2)通过矿质培养基(Mineral Salt Medium,MSM)液体培养实验研究了生物强化用土微生物对液体中菲的降解特性,主要研究温度、p H、中间代谢产物和石油烃对菲降解的影响。研究结果表明,28℃、p H 6.5条件下菲的降解效率最高,3 d降解率可达58.12%,7 d降解率可达98.65%。添加不同的中间代谢产物对菲的降解抑制程度不同,邻苯二酚的抑制作用最强,水杨酸次之,邻苯二甲酸最弱。石油烃对菲的降解有影响,柴油促进菲的降解,润滑油抑制菲的降解。(3)添加10%(F10)、30%(F30)和50%(F50)生物强化用土进行土壤菲降解实验,结果表明,三个处理中菲的降解先快后慢,生物强化用土比例越高,菲前期降解越快,土壤脱氢酶(DHA)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化氢酶(CAT)和荧光素二乙酸酯水解酶(FDA)活性也越高,其中DHA、PPO活性呈现先升高后降低趋势,CAT活性呈现先升高后稳定又降低的趋势,FDA活性呈现先升高再降低又升高的趋势;另外,生物强化用土比例越高,土壤Alpha多样性越低,土壤中PAHs降解菌相对丰度越高;相关性分析表明红球菌属(Rhodococcus)和分枝杆菌属(Mycobacterium)对土壤中菲的降解起关键作用;F10、F30和F50比较而言,修复结束时,F10与FS(无生物强化)群落组成最为相似。因此,从性价比、可操作性和土壤健康方面考虑,在实际应用中,建议采取F10处理,即生物强化用土比例为10%。(4)添加10%生物强化用土进行郑州两处热电厂土壤菲污染的室内修复模拟实验,实验结果表明,生物强化能有效提高郑州两处热电厂土壤中菲的降解效率,3 d能使郑东新区和郑州市西三环热电厂土壤中初始污染浓度为50 mg·kg-1的菲分别降解86.54%和74.53%,两处理中菲的半衰期分别为0.61 d和0.79 d;群落组成分析发现,生物强化主要是通过提高土壤中分枝杆菌属(Mycobacterium)和红球菌属(Rhodococcus)的相对丰度来促进菲的降解,且在修复完成后,分枝杆菌属(Mycobacterium)和红球菌属(Rhodococcus)在土壤中失去竞争优势,相对丰度随即下降。因此,生物强化并不改变郑州两处热电厂土壤中的微生物群落组成,采用PAHs驯化土强化修复PAHs污染土壤的方法是可行的。
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