三氯乙烯胁迫下垃圾生物覆盖土的甲烷氧化活性及其微生物种群结构研究

摘要

由于填埋场覆盖土层中微生物氧化填埋气(landfillgas，LFG)中甲烷(CH4)是一个多种污染物介入下的CH4氧化过程，本研究选择LFG中主要挥发性有机污染物三氯乙烯(trichlorethylene，TCE)为目标污染物，以实验室自主开发的具有较高CH4氧化活性的垃圾生物覆盖土(WBS)为研究对象，研究了TCE胁迫下，WBS对CH4和TCE的净化效能及其微生物种群结构。主要结论如下:
　　(1)随着LFG中TCE浓度的增大，WBS对TCE的吸附量逐渐增大，并且达到吸附平衡的时间也随之延长。LFG中TCE浓度在7000ppmv范围内，WBS对TCE的吸附在24h内基本都达到了平衡。WBS对LFG中TCE的吸附符合线性模型，吸附方程式为Cs=0.0144·Ce，这表明WBS对TCE的吸附符合分配原理。
　　(2)温度、土壤含水率和粒径对TCE的吸附均有影响，其中温度是主导因素，对TCE的吸附影响最大，其次为土壤含水率和粒径。温度越低，土壤含水率越小，TCE吸附量越大。不同材料实验中，有机质含量较高的堆肥、污泥和WBS对TCE吸附量较高，而有机质含量较低的填埋场覆盖土(LCS)和砂土对TCE的吸附量较少，表现出TCE的吸附量与材料有机质含量间的正相关(r=0.707，P=0.01)。
　　(3)不同浓度气态TCE的胁迫会影响WBS的CH4氧化速率，表现为低浓度时，CH4氧化受到抑制，但是抑制程度并不明显;当气态TCE浓度高于500ppmv时，CH4氧化速率受到显著抑制;当TCE浓度高于7000ppmv时，CH4氧化速率变得很小。
　　(4)CH4和O2初始浓度为10％和21％，TCE浓度为～50ppmv胁迫下，54天的实验周期中，WBS和LCS的CH4氧化活性会受到一定程度的抑制。相较LCS而言，WBS具有较高的CH4氧化活性。低浓度TCE对WBS的CH4氧化活性的抑制并不明显，50ppmv浓度的气态TCE长期胁迫下，WBS的CH4氧化活性才会表现出显著抑制作用。在CH4存在下WBS和LCS对TCE都具有一定的降解能力，且随着TCE浓度的增加TCE降解速率增大，其中WBS具有较高的TCE降解性能。
　　(5)pmoA基因Q-PCR分析表明WBS中甲烷氧化菌的数量比LCS中大约高两个数量级。两种土壤中皆含有丰富的Ⅰ型(MethylocaldumMethylosarcina和Methylobacter)和Ⅱ型(Methylocystis)甲烷氧化菌，其中WBS中Ⅰ型甲烷氧化菌Methylocaldum属和Methylobacter属占优势，LCS中Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis属占优势。在WBS中Methylobacter属相对丰度与TCE降解效率显著正相关(r=0.89)。这表明在WBS中Methylobacter属在TCE降解中可能扮演着重要的角色或该属能耐受较高浓度的TCE。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 LFG的产生、成分和环境影响

1．2 LFG处置方式

1．2．1 源头减排

1．2．2 能源回收

1．2．3 末端控制

1．3 填埋场覆盖土层中甲烷生物氧化

1．3．1 甲烷氧化菌

1．3．2 甲烷氧化菌共代谢非甲烷类有机物

1．3．3 影响CH4氧化活性的因素

1．4 分子生物学技术在甲烷氧化首生态研究中的应用

1．5 研究内容和意义

2 WBS对LFG中TCE的吸附特性研究

2．1 材料和方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 WBS对气态TCE的吸附动力学实验

2．1．3 环境因子对气态TCE吸附的影响

2．1．4 LFG中其它组分对WBS吸附脱除TCE的影响实验

2．1．5 不同覆盖材料对LFG中TCE的吸附性能实验

2．2 结果和讨论

2．2．1 WBS对LFG中TCE的吸附动力学

2．2．2 环境因子对WBS吸附LFG中TCE性能的影响

2．2．3 LFG中其他组分对WBS吸附脱除TCE性能的影响

2．2．4 不同覆盖材料对LFG中TCE的吸附性能

2．3 本章小结

3 TCE胁迫下覆盖土的CH4氧化性能研究

3．1 材料和方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 TCE短期胁迫对WBS的CH4氧化能力性能的影响实验

3．1．3 TCE长期胁迫实验

3．1 结果和讨论

3．2．1 TCE短期胁迫下WBS的CH4氧化速率

3．2．2 长期TCE胁迫下CH4氧化速率变化

3．2．3 长期TCE胁迫下TCE降解速率

3．3 本章小结

4 WBS中甲烷氧化菌种群结构对TCE的响应研究

4．1 材料和方法

4．1．1 土壤DNA提取和qPCR

4．1．2 T-RFLP分析

4．1．3 克隆文库和系统发育树构建

4．2 结果和讨论

4．2．1 甲烷氧化菌数量的变化

4．2．2 TCE浓度对甲烷氧化菌群落多样性的影响

4．3 本章小结

5 结论和展望

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果与个人荣誉