生物炭强化超积累植物孔雀草修复PCBs-Cd复合污染土壤的作用及其机理

摘要

植物修复技术是一种理想的污染土壤原位修复技术，它具有成本低、安全、无二次污染等优点。但由于目前所发现的大多数超积累植物有生物量小、生长缓慢、适应能力差、对复合污染修复能力差等缺点，大大限制了植物修复的发展空间。因此，很多研究人员尝试使用一些强化措施来改善植物修复的效果，如添加肥料等。生物炭属于广义概念上黑碳的一种类型，它含碳量高、含有丰富的孔状结构，具有较大的比表面积和较强的吸附能力。一般认为，生物炭具有改善土壤质量、增加土壤碳汇、减少大气CO2浓度以及修复污染环境等功能。
　　本文研究了孔雀草(Tagetes patula L.)对PCBs-Cd复合污染土壤的修复效果;同时，对木屑和鸡粪作为原料制备的四种不同类型的生物炭进行了表征和比较;最后将制备的生物炭添加到PCBs-Cd复合污染的土壤中，研究生物炭对孔雀草修复PCBs-Cd复合污染土壤的影响。研究结果表明:
　　(1)孔雀草对PCBs和Cd单一及复合污染均具有良好的耐受性，Cd单一污染处理对孔雀草生物量的影响大于PCBs单一污染的处理。孔雀草更适合修复中低Cd污染的土壤。PCBs的存在对Cd在植物体内地上部分含量的影响与土壤中PCBs的浓度有关，PCBs对植物地下部分Cd的含量有明显的抑制作用。在所有浓度条件下，植物对PCBs单一污染的去除都一定的促进作用，在中低浓度(PCBs总浓度为＜100μg/kg)时，种植孔雀草的处理显著降低了两种PCBs在土壤中的残留量。重金属Cd的存在抑制了孔雀草对PCBs的修复效果，并且随Cd浓度的增加抑制作用更加明显。
　　(2)生物炭的产率都随制备温度的升高而降低，而灰分含量却随制备温度的升高而升高，而且鸡粪炭的产率和灰分含量都远大于木屑炭。木屑炭的主体元素含量排序都为C＞O＞H＞N，而鸡粪炭的主体元素含量排序都是C＞O＞N＞H。随炭化温度的的升高，两种原料制备的生物炭的芳香性都有所增加，而极性都有所降低。木屑炭的比表面积远大于同温度制备的鸡粪炭，这可能是鸡粪炭含有很多的灰分，堵塞了生物炭的孔隙结构。
　　(3)四种生物炭都具有发达的孔隙结构，而且骨架结构明显。木屑在350℃烧制的生物炭孔隙大小不均一，表面不是十分光滑，在高温烧制的生物炭则出现明显的片层结构，表面较光滑，孔隙更为发达，并且形状规则均一。鸡粪炭的孔隙结构呈煤渣状并相互连通，而且表面有较多的的矿物组分。
　　(4)四种生物炭表面都含有丰富的含氧官能团（如羟基、羧基以及羰基等），而且峰强都随温度的增加有所降低。随着温度的增加，制备的生物炭中脂肪性烷基链逐渐减少甚至消失，生物炭的芳香性增加。1040 cm-1附近对应的是P-O的伸缩振动吸收峰，鸡粪炭在此附近都表现出了很强的吸收峰，而两种木屑炭都没有峰出现，所以鸡粪炭中的含磷量大于木屑炭中的含磷量。
　　(5)生物炭的施用对孔雀草的生长有一定的促进作用，其中添加600℃烧制的鸡粪炭(CW600)的处理对孔雀草生物量的促进作用最明显，与无添加生物炭的对照相比地上部分增加了9.48％，地下部分增加了6.25％。添加生物炭后，孔雀草叶片中叶绿素a和叶绿素b含量都有一定的增加。添加600℃烧制的鸡粪炭(CW600)的处理组中叶绿素a和b的含量都普遍高于其他处理组，这可能和鸡粪炭中含有较多的矿物组分有关。
　　(6)生物炭的添加对重金属的形态有一定的影响，总的来说，鸡粪炭促进了Cd的酸可提取态和有机结合态向氧化物结合态的转化，残渣态含量变化不大。而对木屑炭来说，Cd单一污染条件下350℃下烧制的木屑炭(WB350)对重金属形态几乎没有影响，600℃下烧制的木屑炭(WB600)促进了Cd从氧化物结合态和有机结合态向酸可提取态的转化。PCBs-Cd复合污染条件下，木屑炭则促进了Cd从有机结合态和氧化物结合态向酸可提取态的转化。
　　(7)对单一污染而言，鸡粪炭能促进孔雀草对Cd的修复，四种生物炭都不适合与植物联合修复PCBs单一的污染的土壤;在PCBs-Cd复合污染条件，350℃下烧制的木屑炭(WB350)既能促进PCBs的降解也能增加孔雀草对Cd的总提取量。因此，CW350在PCBs-Cd复合污染条件下有同时修复Cd和PCBs的潜能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 土壤中PCBs和Cd的污染现状及植物修复技术

1．1．1 土壤中PCBs和Cd的来源及危害

1．1．2 土壤中PCBs和Cd的污染现状

1．1．3 PCBs和Cd污染土壤的植物修复技术及其机理

第二节 生物炭对污染物土壤环境行为的影响影响研究进展

1．2．1 生物炭对土壤中重金属环境行为的影响

1．2．2 生物炭对有机污染物环境行为的影响

第三节 本研究的内容、目的和意义

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本研究的目的和意义

第二章 孔雀草修复PCBs-Cd复合污染土壤研究

第一节 材料与方法

2．1．1 供试材料

2．1．2 实验设计

2．1．3 实验方法

2．1．4 数据处理

第二节 结果与讨论

2．2．1 PCBs和Cd单一及复合污染对孔雀草生长的影响

2．2．2 孔雀草在单一及复合污染条件下对Cd的修复效果

2．2．3 孔雀草在单一及复合污染条件下对PCBs的修复效果

第三节 本章小结

第三章 生物炭的制备和表征

第一节 材料与方法

3．1．1 供试材料

3．1．2 实验方法

3．1．3 数据处理

第二节 结果与讨论

3．2．1 生物炭的产率、元素组成及理化性质分析

3．2．2 生物炭的扫描电镜分析

3．2．3 生物炭的傅里叶变换红外光谱分析

第三节 本章小结

第四章 生物炭对孔雀草修复PCBs-Cd复合污染土壤的影响

第一节 材料与方法

4．1．1 供试材料

4．1．2 实验设计

4．1．3 试验方法

4．1．4 数据处理

第二节 结果与讨论

4．2．1 不同生物炭处理对孔雀草生长的影响

4．2．2 生物炭对土壤中重金属形态的影响

4．2．3 生物炭对植物体内重金属积累的影响

4．2．4 生物炭对根际土中PCBs含量的影响

第三节 本章小结

第五章 本研究创新点、结论和展望

第一节 本研究的创新点

第二节 本研究的结论

第三节 研究展望

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与科研成果