镉污染土壤修复技术的微生物功能基因响应研究

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由于金属矿山开采和冶炼、化石燃料燃烧、农药喷洒和大气沉降等原因,土壤镉污染已成为一个严峻的环境问题,其对陆地生态系统和人类健康均构成潜在的威胁。在土壤重金属修复技术中,生物炭稳定化技术由于在去除重金属和提升土壤肥沃能力上的良好表现,被广泛应用于原位稳定化土壤重金属。此外,电化学法(包括外加电场和微生物燃料电池)也被一些学者应用于土壤重金属污染的治理。不同技术在镉污染土壤修复的过程中,均会对土壤产生不同程度的干扰,微生物作为土壤功能的重要执行者,因此,土壤微生物对于不同处理技术的响应变化具有重要的参考价值。基于此,本研究选择生物炭稳定化和电化学技术对镉污染土壤进行治理,探究了生物炭稳定化技术和电化学法对土壤镉的去除效果,分析了土壤理化性质的变化情况;对比了生物炭稳定化技术和电化学法在镉去除和微生物功能基因响应上的不同,给出了不同处理技术在上述两个方面的优越性。主要研究内容及结论如下:(1)小麦秸秆生物炭(WSB)添加至镉污染土壤后,土壤弱酸可提取态镉的浓度从27.38±0.12 mg/kg降低至18.01±0.21 mg/kg,同时p H由7.68±0.12上升至9.07±0.22。土壤氨氮浓度由70.12±0.08 mg/kg降低至40.76±0.11 mg/kg、硝态氮浓度由107.21±0.33 mg/kg增加至133.85±0.14 mg/kg、土壤阳离子交换量由14.59±0.21 cmol/kg增加至19.93±0.30 cmol/kg、土壤有机碳含量由7.00±0.05%增加至12.23±0.10%。土壤微生物群落分析表明结果WSB可以有效提高土壤微生物群落多样性,增加与镉去除有关的微生物(Lysobacter和Sphingomonas)相对丰度,同时WSB也可以促进土壤碳氮磷循环/吸收和重金属迁移转化的微生物功能基因响应。(2)采用外加不同电场强度探究其对土壤镉去除效果和微生物功能基因响应的影响。外加电场显著提升了阴极附近土壤镉的富集效果,当外加电压为2.0 V/cm时富集效果最好,阴极附近土壤总镉浓度从120.08±0.23 mg/kg上升到307.23±0.49 mg/kg,是未加电压(120.98 mg/kg)的2.54倍。此外,外加电场可以使阳极土壤p H降低、阴极土壤p H升高;改变土壤中离子分布,使土壤中的阴阳离子在电极附近富集,阳极和阴极附近的土壤电导率上升、中部土壤电导率下降,以外加电场为2.0 V/cm时最明显。同时,土壤微生物群落分析结果表明外加电场可以改变土壤微生物群落结构,显著增加土壤中参与镉去除的微生物(Lysobacter和Sphingomonas)相对丰度。与此同时,外加电场可以促进土壤中参与离子迁移和重金属迁移转化相关的微生物功能基因响应程度,但当外加电场强度过高时,对土壤中的微生物功能基因响应有一定的减缓作用。(3)构建土壤微生物燃料电池(SMFC),研究内电场对土壤镉去除效果和微生物功能基因响应的影响。SMFC具有一定的产电能力,最大功率密度达71±0.82 m W/m~2,且SMFC可以有效去除土壤中的镉,去除率达70.04±0.45%。同时,土壤微生物群落分析结果表明SMFC可以有效提高土壤中参与镉去除相关菌(Methylbacillus和Methylphilia)的相对丰度,并且促进与发电和重金属迁移转化有关的微生物功能基因响应。(4)将生物炭稳定化技术和电化学法进行比较,结果表明电化学法在土壤镉去除和微生物功能基因响应上都具有较大的优势,这为土壤重金属去除的研究提供了一种新视角。
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