高环多环芳烃污染土壤的苜蓿-芽孢杆菌联合修复研究

摘要

近年来，随着工业化的快速发展以及居民生活水平的不断提高，土壤承受了越来越多的来自企业和人类活动产生的废水、废渣和废气污染。土壤有机污染物多环芳烃(PAHs)，尤其高环芳烃(HMW-PAHs)，在土壤中具有较强的吸附性能，且具有致癌、致畸、致突变的“三致效应”，目前已成为广大学者关注的焦点。据全国土壤污染调查公报显示，我国耕地土壤接近两成左右检测超标，其中PAHs点位超标率已达1.4％，土壤PAHs污染治理迫在眉睫。因此，本研究以河北省某典型煤矿区HMW-PAHs污染的农田土壤为研究对象，采用苜蓿以及前期筛选的PAHs高效降解菌M1作为修复手段，通过室内摇瓶试验和盆栽试验对HMW-PAHs的修复效果及其修复机理展开研究，其主要研究结果如下:
　　1.通过摇瓶试验，研究了降解菌M1对无机盐溶液中Pyr、BaA、Chry、BkF、BaP、DbA、BghiP和InP混合溶液的去除效果。结果表明，降解菌M1对8种HMW-PAHs均具有明显的去除效果，去除率分别为37.90％、66.46％、51.86％、60.57％、54.11％、70.21％、52.10％和74.08％，可证实该菌株对4-6环HMW-PAHs具有高效降解性。
　　2.通过盆栽试验，研究了降解菌M1、苜蓿与两者组合不同修复方式对土壤8种HMW-PAHs的修复效果。结果表明，三种修复方式对HMW-PAHs老化污染土壤具有不同程度的修复效果，且对不同单体去除效果存在明显差异。苜蓿单一处理对土壤中8种HMW-PAHs单体去除率范围为15.01％～36.96％，总量去除率为22.09％;M1菌剂单一处理对土壤8种HMW-PAHs单体的去除率范围为17.66％～37.74％，总量去除率为25.41％;两者组合处理对土壤种8种HMW-PAHs单体的去除率范围为20.99％～45.01％，总量去除率为27.24％，其中对DbA的修复效果显著高于两者单一处理，对BkF的修复效果明显优于苜蓿处理。
　　3.结合前人对PAHs形态分类的研究结果和土培试验实证研究，探索改进了现行的PAHs形态分类模式。结果表明，现行的土壤HMW-PAHs形态分类是利用连续提取法将测定的形态含量分为三类:可脱附态、有机溶剂提取态和结合态;而在前人研究的形态结果中发现提取的三类形态之和与添加全量并不相符，有部分HMW-PAHs尚未被充分提取及分类命名。经统计，该部分形态占全量比例为9.54％～34.12％。本次试验再次证实了该方法提取后土壤中确有未被有效提取的PAHs形态存在，占比为28.71％～58.17％，因其难提取的特点，将此部分形态命名为锁定态。由此，本研究将现行的土壤PAHs形态由三类形态修改为四类形态，即可脱附态、有机溶剂提取态、结合态和锁定态，其中锁定态的含量为国标法测定的PAHs全量与三种形态总和之差值。
　　4.通过盆栽试验，研究了M1、苜蓿与两者组合不同处理下土壤8种HMW-PAHs不同形态的变化特征，以揭示不同处理去除PAHs形态的机制。在所有处理中，8种PAHs主要以锁定态和有机溶剂提取态为主，其余形态含量甚微或检测不到。从具有生物有效性的有机溶剂提取态含量看，M1、A、AM1三个处理中土壤HMW-PAHs有机溶剂提取态含量均比对照明显降低，且含M1的处理降低幅度大多高于A处理，而不同单体在处理之间有较大差异。其中，Pyr、BaA、Chry有机溶剂提取态在M1处理下降低最明显，BkF、BaP、DbA、BghiP和InP有机溶剂提取态在AM1处理下降低最突出。有机溶剂提取态减少量占比能够明确地解释与去除率的相关性，充分说明了在老化污染土壤中有机溶剂提取态是M1降解PAHs的一个重要形态。
　　5.通过高通量测序技术手段，研究了不同处理土壤微生物多样性的差异性及酶活性变化规律，以揭示不同处理去除PAHs的生物机制。结果表明，M1、苜蓿以及两者组合处理均不同程度地改变了土壤微生物多样性。两者组合作用下的Shannon指数多样性大于各单一作用处理;在AM1处理中芽孢杆菌属具有明显优势，在M1处理中酸杆菌属和芽单胞菌属存在明显优势，A处理中线状杆菌呈现明显优势，这三种修复方式之间存在的微生物种群的差异性与土壤PAHs不同单体在不同处理下去除率的明显差异性有一定的关联。同时，不同处理土壤中酶活性变化也呈现出了不同的趋势，尤其三个处理下的多酚氧化酶活性与对照CK相比明显下降，可能与PAHs降解有关。
　　综上，本研究证实了M1菌株在无机盐溶液中对4-6环HMW-PAHs的高效降解性能;探明了降解菌M1、苜蓿与两者组合不同修复方式在煤矿区老化污染土壤介质中对8种HMW-PAHs的修复效果;进一步对土壤PAHs形态分类进行了改进，进而从土壤PAHs形态变化特征、微生物多样性及酶活性角度阐释了不同修复方式降解HMW-PAHs的机制。

目录

声明

摘要

1．1 多环芳烃概述

1．1．1 PAHs的理化性质

1．1．2 PAHs的来源

1．1．3 PAHs的危害

1．2 研究进展

1．2．1 我国农业土壤PAHs污染现状

1．2．2 PAHs生物修复研究进展

1．2．3 PAHs不同形态研究进展

1．2．4 与土壤PAHs降解有关的酶活性研究进展

1．2．5 与土壤PAHs降解有关的微生物多样性研究进展

1．3 研究目的

1．4 研究内容

1．4．1 Bacillus sp．对无机盐溶液中HMW-PAHs的降解效果研究

1．4．2 苜蓿与Bacillus sp．不同处理对HMW-PAHs污染土壤的修复效果研究

1．4．3 苜蓿与Bacillus sp．不同处理修复土壤HMW-PAHs的机制研究

1．5 技术路线

2．1．1 供试土壤

2．1．2 供试植物与菌种

2．1．3 供试试剂与仪器

2．2 试验方案

2．2．1 M1降解无机盐溶液中HMW-PAHs的摇瓶试验

2．2．2 土壤中PAHs赋存形态的分级探索

2．2．3 M1降解土壤HMW-PAHs的盆栽试验

2．3 数据统计分析

2．3．1 PAHs去除率计算公式

2．3．2 数据分析

3 结果与分析

3．1 M1对无机盐溶液中HMW-PAHs的修复效果研究

3．2 M1与苜蓿不同组合对HMW-PAHs污染土壤修复效果研究

3．2．1 污染土壤HMW-PAHs各单体的修复效果

3．2．2 污染土壤HMW-PAHs总量的修复效果

3．3 土壤PAHs赋存形态分级的探索

3．3．1 土壤PAHs形态分类研究

3．3．2 土壤中PAHs的形态分类探索

3．4 污染土壤HMW-PAHs修复机制研究

3．4．1 不同修复处理下土壤HMW-PAHs不同形态的变化分析

3．4．2 不同修复处理下土壤微生物多样性的变化分析

3．4．3 不同修复处理下土壤酶活性变化分析

4．1 讨论

4．1．1 不同介质条件下HMW-PAHs的去除效果差异性分析

4．1．2 不同修复方式对土壤HMW-PAHs修复效果的差异性分析

4．1．3 土壤PAHs形态分类的讨论

4．1．4 土壤PAHs修复与有机溶剂提取态的关联性分析

4．1．5 与土壤修复有关的酶活性及微生物多样性分析

4．2 结论

参考文献

在读期间论文已发表论文

作者简历

致谢