生物炭对土壤中林丹的降解及微生物群落的影响

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自然环境中水分的得失促成了土壤“干-湿”循环,而“干-湿”状态不仅影响了土壤颗粒的吸附能力,还导致了土壤氧化还原电位变化,进而影响了有机污染物在土壤中的迁移和转化。植物残体落入土壤中后,在“干-湿”循环条件下,经过物理化学及微生物作用后残留的有机物成为了土壤有机质的一部分。脂肪酸是生物膜结构的重要组成部分,在本论文中,在林丹污染的土壤中添加血粉、玉米秸秆生物炭(BC400、BC600)和酸洗生物炭(WBC400、WBC600),在“干-湿”循环条件下,通过分析土壤中林丹的降解、土壤中脂肪酸组成及饱和度的变化、土壤微生物群落的变化等,探究“干-湿”循环和生物炭(BC)对林丹降解及土壤微生物群落的影响。另外,通过测得灭菌土壤和未灭菌土壤中的总有机质和总脂肪酸的变化情况,探索总脂肪酸的累积对土壤有机质形成的贡献。研究发现:1)林丹在土壤中的降解动力学表明,四种BC影响林丹降解的大小为BC400>BC600>WBC600>WBC400。BC的吸附作用是抑制林丹降解的主要因素,另外,BC释放的营养物刺激促进林丹的降解,且林丹在BC添加土壤中的降解表现为先刺激后抑制。在“干-湿”循环土壤中老化89天后,扫描电子显微镜(SEM)显示BC呈现老化现象,表现为结构的塌陷和破碎,并且酸洗促进了BC的老化。老化造成的结构崩塌可能导致BC上的林丹脱附而重新回到土壤中。2)土壤中脂肪酸饱和度的变化表明BC对降解微生物具有毒性作用。BC添加土壤中的脂肪酸饱和度均高于对照组,表明BC添加导致细胞膜流动性降低,即降解微生物活性降低。特别地,酸洗促进了400℃生物炭中有毒物质的释放和产生了微生物毒性,而老化造成新鲜BC表面覆盖,阻止了有害物质的释放并降低了生物毒性,结果表明1%和5%WBC400的微生物毒性分别使林丹的降解降低了17.6%和47.2%。土壤中脂肪酸饱和度(SFA/UFA)的变化表明BC的微生物毒性高低为5%WBC400>5%BC400>5%BC600>5%WBC600。3)BC和血粉的添加不同程度地改变了土壤微生物的群落结构。PCo A和属水平上的物种相对丰度图显示,新鲜BC在添加初期可以显著改变土壤细菌群落结构,且随着时间的累积,这种影响逐渐减弱,到培养末期时,空白对照和各不同BC添加的土壤细菌群落结构相似,但对于真核生物群落结构的影响较小;血粉的添加对于土壤细菌和真核生物群落结构变化的影响随时间延长而明显。新鲜BC可以显著提高土壤细菌群落和真核生物群落物种的丰富度和多样性,并且形成了多个降解优势种群,包括Sphingomonas、Flavisolibacter、Azoarcus、Parasegetibacter等。此外,在有氧和厌氧交替的环境中,林丹的降解是由Sphingomonas,Flavisolibacter,Parasegetibacter,Azoarcus,Bacillus和Anaerolinea等微生物群落共同作用完成的。4)磷脂脂肪酸在微生物死亡后不会迅速完全降解,而有部分残留在土壤中。土壤中的总脂肪酸和总有机质都会随着时间延长而消减,并且趋势基本相同,表明脂肪酸是土壤有机质的重要组成部分。
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