蚯蚓-微生物体系强化修复土壤芘污染的研究

摘要

随着世界经济的发展,土壤污染日益加剧。多环芳烃(PAHs)是一类广泛存在于土壤中的持久性有机污染物,大多具有致癌、致畸和致突变的特性,其中16种被列为优先控制污染物。近年来,在现代工业和农业中对石油、煤矿和天然气开发利用的不断加快,环境中PAHs的蓄积有不断增加的趋势。其极强的环境持久性和难降解性可引起严重的环境问题,对人类健康具有无法预知的生态风险。如今,PAHs污染土壤的修复业已经引起了国内外环境学者越来越多的重视。 相比于其他化学、物理的修复工艺,基于微生物降解的生物修复技术被广泛认同为一种经济、环境友好的有机污染物修复技术。然而,包括PAHs在内的很多憎水性有机污染物的水溶解性低以及多种土壤对这种污染物所表现出的很高的吸附能力使存在于土壤生态环境中的微生物对其的可利用性降低。现实土壤中,外接土壤微生物的分布和传输效果不甚理想,适宜的电子受体的供应也会不足,这些都会限制,甚至抑制原位生物修复的进行。另外,污染物降解菌的活性也会受到影响着通气性能、肥力和营养可利用性的土壤结构和成分的制约。因此,开发新型的生物修复技术,降低有机污染物的环境阈值引起了极大的关注,是环境修复研究中的一个重要方向。 蚯蚓是温带土壤中占据主导生态位的无脊椎动物,通过摄食消化、穿孔和排泄活动,不仅显著影响着土壤微生物的特性,而且可以改变土壤的物理化学性质。已有大量关于蚯蚓在土壤中发挥多种重要作用的报道,故对于其栖息土壤中的有机污染物,蚯蚓可能会发挥降解促进者的作用。但是关于蚯蚓活动对土壤中有机污染物的微生物降解能力的影响鲜有报道。因此,本研究的目的在于：首先,在实验室条件下,以具有代表性的四环多环芳烃-芘为研究对象,考察了赤子爱胜蚯蚓活动是否可以对芘污染土壤的生物修复产生积极影响,以及这种影响的程度。此外,为了分析蚯蚓对微生物降解影响的作用机理,研究了蚯蚓引起的土壤芘的微生物可利用性的改变,及蚯蚓对微生物活性的影响。 研究的主要结论如下： (1)有机质较高土壤中芘的微生物降解率和蚯蚓富集率都低于有机质低的土壤,而老化作用降低了芘的生物有效性。无论在新鲜染毒还是老化的土壤中,蚯蚓均可提高土壤中芘的去除率和微生物降解率。在新鲜染毒的红壤和潮土中,蚯蚓可使芘的去除率由41.78％和27.02％分别提高到89.24％和57.53％,其中分别有51.48％和41.63％是蚯蚓促进的微生物降解作用引起的,37.76％和15.90％归因于蚯蚓富集作用。而在老化的红壤和潮土中,蚯蚓可使芘的去除率由36.53％和20.50％分别提高到91.93％和45.46％,其中分别有54.43％和32.83％是蚯蚓促进的微生物降解作用引起的,37.50％和12.63％归因于蚯蚓富集作用。 (2)Tenax辅助解吸实验的结果表明,蚯蚓处理30d后的土壤中,芘更易于从土壤上解吸下来。相比于原土,蚯蚓处理后的土壤中溶解性有机质(DOM)含量更高。最终,经蚯蚓处理的红壤和潮土中芘解吸率从61.75％和44.85％分别提高到91.64％和80.92％,这预示着芘的生物可利用性的提高。相比于原土,蚯蚓粪处理总体上抑制了芘从土壤上的解吸,且随着蚯蚓粪在土壤中比例的增加,这种抑制作用呈现增强的趋势。 (3)通过盆养实验进行的蚯蚓对微生物活性影响的研究表明,在30d实验过程中,蚯蚓增强了微生物的活性。30d内,引入蚯蚓的处理中,单位质量(kg,湿重)土壤中微生物产生的CO2量提高了2.33 mmol。因此,可以认为,由于蚯蚓活动,导致的增强的微生物活性以及增加的芘的生物可利用性共同促进了土壤中芘的微生物降解。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

第一节土壤多环芳烃污染

1.1.1 土壤多环芳烃的污染现状及研究进展

1.1.2多环芳烃的毒性及其环境行为

第二节土壤环境污染修复

2.1.1土壤有机污染微生物修复技术

2.1.2新型联用修复技术的发展及研究现状

第三节土壤动物蚯蚓在土壤生态系统中的作用

3.1.1 蚯蚓对土壤微生物的影响及研究进展

3.1.2蚯蚓在土壤生态系统中的其它作用

3.1.3蚯蚓与微生物净化体系的实际应用

第四节课题研究意义和主要内容

4.1.1 课题研究意义和目的

4.1.2主要研究内容

第二章蚯蚓辅助微生物修复芘污染土壤的研究

第一节引言

第二节实验材料

2.2.1实验仪器和试剂

2.2.2供试土壤的采集和处理

2.2.3蚯蚓的采集和处理

2.2.4细菌菌恳液的制备

第三节实验方法

2.3.1芘溶液标准曲线的绘制

2.3.2土壤染毒

2.3.3蚯蚓-微生物修复体系的构建

2.3.4前处理及HPLC测定条件

2.3.5数据处理方法

第四节实验结果

2.4.1土壤中目标本底的溶出

2.4.2土壤的物理化学性质

2.4.3芘甲醇溶液标准曲线的测定

2.4.4无蚯蚓组中芘的去除

2.4.5引入蚯蚓组中芘的去除

第五节讨论

2.5.1土壤中芘的微生物降解

2.5.2蚯蚓促进芘微生物降解的原因

2.5.3蚯蚓对土壤中芘的生物富集作用

第六节本章小结

第三章蚯蚓对土壤中芘的生物可利用性的影响研究

第一节引言

第二节实验材料

3.2.1实验仪器和试剂

3.2.2蚯蚓粪的采集和处理

3.2.3实验土壤

第三节实验方法

3.3.1土壤溶解性有机质(DOM)的测定

3.3.2土壤有机质和pH值的测定

3.3.3解吸实验

3.3.4前处理及HPLC测定条件

3.3.5数据处理方法

第四节实验结果

3.4.1蚯蚓活动对土壤理化性质的影响

3.4.2蚯蚓粪对土壤理化性质的影响

3.4.3土壤芘的解吸动力学

第五节讨论

3.5.1土壤pH变化对芘的微生物可利用性的影响

3.5.2土壤溶解性有机质(DOM)变化对芘的微生物可利用性的影响

3.5.3蚯蚓粪的添加对芘的微生物可利用性的影响

第六节本章小结

第四章蚯蚓活动对土壤微生物活性的影响研究

第一节引言

第二节实验材料

4.2.1实验仪器和试剂

4.2.2蚯蚓的采集和处理

4.2.3细菌菌悬液的制备

4.2.4土壤样品

第三节实验方法

4.3.1盆养实验

4.3.2实验装置设计

4.3.3 CO2产量的测定

第四节实验结果

第五节讨论

第六节本章小结

第五章研究结论与展望

第一节研究结论

第二节研究创新点与意义

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研究成果