生物炭对重金属污染底泥的修复及其对土著微生物群落的影响研究

摘要

生物炭是由生物质（植物残体、牛粪、有机废物）在缺氧条件下热解制得。生物炭可以提高土壤养分有效性、增强土壤肥力、增强土壤固碳能力，在农业领域应用广泛。此外，生物炭具有较大比表面积、复杂的孔隙结构和表面基团，其在水体、土壤或者底泥治理中的优势逐渐凸显。然而，在底泥生态系统中，生物炭的积累或添加对底泥重金属的修复及对土著微生物群落的影响还不清楚。底泥微生物是底泥的重要组成部分，微生物群落的活性和多样性对底泥功能和生态系统稳定性至关重要，因此研究生物炭的添加对底泥微生物群落的影响具有重要的意义。本文具体研究内容及成果包括以下三个部分：
　　第一部分，将不同浓度的生物炭添加到重金属污染的底泥中，定期取样研究生物炭对底泥物理化学性质和重金属毒性浸出的影响。实验结果表明：生物炭的添加大幅提高了底泥的 pH和有机质，降低了重金属镉和锌的毒性浸出。培养90天后，锌的毒性浸出降低21％，镉的毒性浸出降低13%。皮尔森相关性分析表明底泥 pH与重金属的毒性浸出呈显著负相关。
　　第二部分，将不同浓度生物炭添加到重金属污染的底泥中，定期取样测定底泥脲酶活性、转化酶活性、碱性磷酸酶活性。实验结果表明：生物炭对脲酶、转化酶、碱性磷酸酶的影响不同，且对三种酶的作用效果与生物炭添加量有关。添加1%生物炭底泥的脲酶活性虽在第七天有小幅上升，但在其他取样时间里与对照组基本相同。添加5%生物炭的底泥的脲酶活性在培养45天以后有大幅提升，在90天达到了峰值。与之不同的是添加生物炭的底泥的转化酶活性明显降低，且生物炭浓度越高，转化酶活性就越低。碱性磷酸酶活性在培养45天后基本保持稳定趋势，添加1%生物炭的底泥的碱性磷酸酶活性高于对照组，而添加5%生物炭的底泥的碱性磷酸酶活性明显低于对照组。相关性分析表明 pH和转化酶活性呈现显著负相关，重金属的毒性浸出和脲酶活性呈现显著负相关。
　　第三部分，取培养45天和90天的6组底泥样品，利用分子生物学技术研究微生物丰度和细菌群落结构的变化。分子生物学实验结果表明：生物炭添加量为1%时，细菌、真菌的丰度都有大幅提高，而当添加量增大到5%，细菌和真菌的丰度相比对照组均明显下降。生物炭的添加使得细菌条带发生变化，这可能是由于某些细菌物种受到生物炭的影响，细菌群落发生明显的演替。当生物炭添加量为5%时，优势菌种条带的相对亮度明显降低，高浓度的生物炭对优势菌种的抑制作用可能是细菌丰度降低的原因。冗余分析结果表明所选的环境参数解释了91.9％的总特征值，对细菌物种的梯度分布具有显著的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 底泥重金属污染研究概述

1.2 生物炭对土壤理化性质和重金属影响的研究概述

1.3 生物炭对土壤或底泥微生物影响的研究概述

1.4 土壤微生物群落结构的研究办法

1.5 课题的研究构想

第二章 水稻秸秆生物炭对河流底泥重金属的修复研究

2.1 引言

2.2 实验药品与试剂

2.3 实验设备与仪器

2.4 实验原理和测定方法

2.5结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 水稻秸秆生物炭对河流底泥微生物胞外酶的影响研究

3.1 引言

3.2 实验药品与试剂

3.3 实验设备与仪器

3.4 实验原理和测定方法

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 水稻秸秆生物炭对河流底泥微生物群落的影响研究

4.1 引言

4.2 实验药品与试剂

4.3 实验设备与仪器

4.4 实验原理和测定方法

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

致谢