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多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbon,PAHs)是一类稠环化合物,其在大气、水体、土壤等不同环境介质中均有分布,最为突出的是对土壤的污染。有机废弃物堆肥作为一种生物修复手段,其无害化、资源化利用废弃物的同时,可有效降解PAHs。本研究建立不同固体废弃物联合老化土堆肥,测定堆肥过程中相应理化指标、酶活以及PAHs含量,利用荧光定量PCR手段对功能基因进行定量分析,利用高通量测序分析堆肥过程中细菌群落结构动态变化,通过细菌与指标间相关性的分析探究不同固体废弃物堆肥过程对老化土PAHs的降解作用。
开展牛粪(CM)、鸡粪(FM)、园林废弃物(G)、秸秆(S)联合植被老化土(VS)与裸地老化土(BS)堆肥模拟实验。不同固体废弃物联合老化土堆肥过程中,各指标随堆肥进行发生变化。堆肥前期,CO2累积释放量显著上升,堆肥后期逐渐趋于平稳,S和G处理组有机物矿化程度显著高于CM和FM处理组。堆肥过程中有机质含量呈下降趋势,各处理组中有机质下降幅度为13.71%~45.21%,G处理组有机质降解量显著高于其他处理组。堆肥0~13d有机质含量下降较快。各处理组pH整体上呈现先上升后降低的趋势,与铵态氮和有机酸的转化有关。可溶性糖和可溶性氨基酸含量在堆肥过程中呈波动性下降,其与微生物的代谢活性有关。综上,VS和BS土壤性质对堆肥过程中的各理化指标存在扰动,但对堆肥有机组分转化未产生显著性影响。
通过GC-MS对堆肥过程PAHs的含量进行测定,堆肥结束时各处理组中PAHs由581.12~1540.10g/kg(中重度污染水平)降至242.57~496.49g/kg(轻度污染水平),有效降低了PAHs的危害。随着PAHs的降解,多酚氧化酶活性下降,而脱氢酶和漆酶均保持较高活性,说明土壤环境生态得到恢复。脲酶整体呈现先下降后上升趋势,其与物质转化和微生物代谢有关。不同固体废弃物堆肥对PAHs降解效率有影响,整体而言,G处理组和CM处理组PAHs降解效果好于S处理组和FM处理组,各处理组中低环(2~3环)与高环(4~6环)PAHs降解率分别为60.48%~77.51%,35.49%~58.87%,低环PAHs降解率显著高于高环PAHs。
研究通过高通量测序对堆肥过程细菌群落结构进行分析,利用实时荧光定量PCR对16SrRNA,PAH-RHD,NahAc和Phe进行定量分析,结合相关性分析堆肥过程中细菌群落演替对PAHs降解的影响。堆肥细菌群落主要来源于23个不同的菌门,不同固体废弃物堆肥细菌群落组成差异较大,同一固体废弃物堆肥处理组中不同堆肥时期的细菌群落演替较为剧烈,其中变形菌门、放线菌门和厚壁菌门是所有处理组中均存在的优势菌门,FM处理组菌门种类最为单一,且与其他处理组群落结构差异较大。变形菌门与厚壁菌门仅在FM处理组中呈现上升趋势,在其他处理中均呈现下降趋势。除PAH-RHD基因整体上呈现波动性下降趋势外,16SrRNA,NahAc和Phe基因拷贝数呈波动性变化,整体上先上升后降低,主要与细菌丰度有关。CM处理组和G处理组中菌间关系以及与各指标间关系较为密切,对环境具有更好地适应能力和抗胁迫能力,微生物协同作用是该堆肥体系中物质能量转化的关键,这可能是CM处理组和G处理组中PAHs降解较好的原因。
综上所述,堆肥过程显著降低了PAHs的含量,不同固体废弃物堆肥结束时,PAHs含量均降至轻度污染水平,有效修复了PAHs污染老化土,极大地降低了PAHs的危害。堆肥过程对物质转化以及酶活性整体变化趋势影响较大,主要由于堆肥过程中细菌群落结构的变化,功能基因拷贝数主要与细菌丰度变化以及环境胁迫相关,菌间关系以及细菌与各指标间相关性越密切,堆肥物质转化以及PAHs降解效果越好。该研究结果为固体废弃物的无害化处理以及PAHs污染土壤的修复提供了理论依据。
开展牛粪(CM)、鸡粪(FM)、园林废弃物(G)、秸秆(S)联合植被老化土(VS)与裸地老化土(BS)堆肥模拟实验。不同固体废弃物联合老化土堆肥过程中,各指标随堆肥进行发生变化。堆肥前期,CO2累积释放量显著上升,堆肥后期逐渐趋于平稳,S和G处理组有机物矿化程度显著高于CM和FM处理组。堆肥过程中有机质含量呈下降趋势,各处理组中有机质下降幅度为13.71%~45.21%,G处理组有机质降解量显著高于其他处理组。堆肥0~13d有机质含量下降较快。各处理组pH整体上呈现先上升后降低的趋势,与铵态氮和有机酸的转化有关。可溶性糖和可溶性氨基酸含量在堆肥过程中呈波动性下降,其与微生物的代谢活性有关。综上,VS和BS土壤性质对堆肥过程中的各理化指标存在扰动,但对堆肥有机组分转化未产生显著性影响。
通过GC-MS对堆肥过程PAHs的含量进行测定,堆肥结束时各处理组中PAHs由581.12~1540.10g/kg(中重度污染水平)降至242.57~496.49g/kg(轻度污染水平),有效降低了PAHs的危害。随着PAHs的降解,多酚氧化酶活性下降,而脱氢酶和漆酶均保持较高活性,说明土壤环境生态得到恢复。脲酶整体呈现先下降后上升趋势,其与物质转化和微生物代谢有关。不同固体废弃物堆肥对PAHs降解效率有影响,整体而言,G处理组和CM处理组PAHs降解效果好于S处理组和FM处理组,各处理组中低环(2~3环)与高环(4~6环)PAHs降解率分别为60.48%~77.51%,35.49%~58.87%,低环PAHs降解率显著高于高环PAHs。
研究通过高通量测序对堆肥过程细菌群落结构进行分析,利用实时荧光定量PCR对16SrRNA,PAH-RHD,NahAc和Phe进行定量分析,结合相关性分析堆肥过程中细菌群落演替对PAHs降解的影响。堆肥细菌群落主要来源于23个不同的菌门,不同固体废弃物堆肥细菌群落组成差异较大,同一固体废弃物堆肥处理组中不同堆肥时期的细菌群落演替较为剧烈,其中变形菌门、放线菌门和厚壁菌门是所有处理组中均存在的优势菌门,FM处理组菌门种类最为单一,且与其他处理组群落结构差异较大。变形菌门与厚壁菌门仅在FM处理组中呈现上升趋势,在其他处理中均呈现下降趋势。除PAH-RHD基因整体上呈现波动性下降趋势外,16SrRNA,NahAc和Phe基因拷贝数呈波动性变化,整体上先上升后降低,主要与细菌丰度有关。CM处理组和G处理组中菌间关系以及与各指标间关系较为密切,对环境具有更好地适应能力和抗胁迫能力,微生物协同作用是该堆肥体系中物质能量转化的关键,这可能是CM处理组和G处理组中PAHs降解较好的原因。
综上所述,堆肥过程显著降低了PAHs的含量,不同固体废弃物堆肥结束时,PAHs含量均降至轻度污染水平,有效修复了PAHs污染老化土,极大地降低了PAHs的危害。堆肥过程对物质转化以及酶活性整体变化趋势影响较大,主要由于堆肥过程中细菌群落结构的变化,功能基因拷贝数主要与细菌丰度变化以及环境胁迫相关,菌间关系以及细菌与各指标间相关性越密切,堆肥物质转化以及PAHs降解效果越好。该研究结果为固体废弃物的无害化处理以及PAHs污染土壤的修复提供了理论依据。