生物刺激对Cr(Ⅵ)污染土壤修复及微生物群落结构的影响
土壤中有数以万计的微生物，它们可以通过自身代谢作用或分泌特定的产物来降低污染物的毒性。在自然环境下，往往因缺乏相应的条件刺激功能种群的生长代谢过程，土著微生物难以发挥最佳的作用来改善环境。本研究以生物刺激的方式促进污染场地土著微生物对Cr(Ⅵ)的去除，并探究了不同刺激条件对微生物群落的影响。随后探索实际Cr(Ⅵ)污染场地微生物群落结构及环境之间的关系，将优选的生物刺激条件应用于修复中，结合微生物群落的定向演替，揭示生物刺激对微生物影响的规律，为不同类型的Cr(Ⅵ)污染土壤修复提供理论依据。 首先，研究了某污染场地土著微生物在含水率、水铁矿、电子供体、电子穿梭体等生物刺激条件下对Cr(Ⅵ)的去除效果。最佳单因素条件为含水率（30%），乳酸钠（6%），水铁矿（1.2%），腐殖酸（1.2%），Cr(Ⅵ)在82d最高去除率可达85.23%，浓度从2234.92mg/kg降为245.50mg/kg。利用Box-Benhnken设计优化刺激条件参数，24d时Cr(Ⅵ)去除率预测值为72.04%，实测值为71.61%，表明模型拟合结果有效。 其次研究了不同生物刺激条件对微生物群落结构的影响，阐明Cr(Ⅵ)还原过程微生物演替状况和内在机理。生物刺激会驱使微生物定向演替，增强功能菌群的竞争优势。电子供体类型对微生物群落影响最大，投加后会促使土壤中铬/铁还原菌Bacillus、Delftia、Virgibacillus等明显增多，同时添加水铁矿和电子穿梭体效果更为明显。对生物刺激后微生物进行功能预测，发现土壤中的还原酶和解毒酶共同为微生物还原Cr(Ⅵ)提供了条件。 然后，探究了不同类型污染土壤的微生物群落组成、理化性质之间，以及环境因子与微生物群落之间的相关性，为Cr(Ⅵ)污染的微生物修复奠定理论基础。土壤理化性质存在明显的空间分布，高浓度Cr(Ⅵ)对微生物多样性和丰富度影响更大，深层土壤中的微生物对Cr(Ⅵ)具有更大的还原潜力。功能代谢预测显示，在受Cr(Ⅵ)污染的土壤中，均含有丰富的细胞色素c、黄素单核苷酸还原酶、铬酸盐还原酶和谷胱甘肽还原酶，证明土著微生物本身具有还原Cr(Ⅵ)的巨大潜力。 最后，利用响应面优化后的生物刺激方案对不同类型污染土壤进行修复，测定修复前后Cr(Ⅵ)，TCLP毒性浸出浓度和盐酸可提取态铁含量，同时结合微生物群落结构变化为生物刺激的广泛使用提供借鉴。所有组别在前12d的修复速率均高于后12d，且能维持较好的修复状态。除老化后的TJ和QH土壤外，所有土壤均在24d内将Cr(Ⅵ)的TCLP浸出浓度降至限值之下(5mg/L)。生物刺激适用于大多数类型土壤，尤其是深层NM土壤，可将约2000mg/kg的Cr(Ⅵ)降至全国背景值(61mg/kg)之下。Cr(Ⅵ)/Fe(Ⅲ)还原菌Halomonas、Salipaludibacillus、Pseudomonas、Microbacterium在各类土壤生物刺激后均为优势菌种，且丰富度与土壤本身微生物组成和理化性质有关。
土壤修复;微生物群落;异化铁还原;生物刺激;铬污染
北京化工大学
硕士
环境科学与工程
邹德勋
2022
中文
X53
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）