固定化细菌增强修复多环芳烃污染土壤及影响因素

摘要

多环芳烃(PAHs)是一类典型的持久性有机污染物,主要来自化石燃料和生物质的不完全燃烧。近代工农业的快速发展导致大量的PAHs集中排放进入环境,经大气湿沉降、污水灌溉等途径最终大部分汇聚于土壤中,并长期滞留,导致严重的土壤PAHs污染问题,对农产品安全生产、人类健康乃至全球生态环境构成巨大威胁。如何控制和修复PAHs污染土壤已成为环境科学和土壤界研究的热点问题之一。微生物降解是PAHs从土壤中去除的根本途径,固定化微生物修复技术是一种重要的微生物强化修复措施,在土壤污染修复中具有良好的应用潜力。本文在简要介绍土壤PAHs污染现状和修复方法后,重点评述了固定化微生物修复技术的原理、研究现状及存在的关键科学问题。本论文以细菌B1(假单胞菌Pseudomonasputida)和B2(从实验所用土壤中筛选出的能以PAHs为唯一碳源的细菌,尚未鉴定)为固定化菌剂,以植物残体及生物碳为固定化载体材料,以PAHs污染土壤环境样品为代表,研究固定化微生物增强修复PAHs污染土壤及其影响因素,重点探讨固定化载体材料对PAHs的吸附作用及作用机制、固定化菌对PAHs的强化吸附和降解耦合作用。研究植物残体材料对PAHs的吸附能力及作用机制,探讨植物残体及其提取液作为碳源促进微生物去除PAHs的可行性;研究不同碳化温度制备的生物碳固定化基材对土壤吸附PAHs的增强作用及影响因素;研究植物残体及生物碳固定化细菌对溶液中PAHs的吸附一降解行为,以沈阳污灌区污染土壤样品为代表,研究固定化细菌对PAHs污染土壤的修复作用,探讨固定化材料对修复效果的影响,以期为发展经济、高效、安全的PAHs污染土壤修复技术提供科学依据和技术支撑。论文主要结论及创新点如下:
　　 (1)探明了植物残体对PAHs的吸附行为及作用机制,发现植物残体及其提取液可强化固定化菌和土著微生物去除PAHs。植物残体吸附PAHs的主要机制为分配作用,菲在植物材料上分配系数(Kp,mL/g)大小顺序:木屑(2484±24.24)＜黑麦草根系(2777±58.62)＜桔皮(2970±39.80)＜竹叶(3746±96.54)＜松针(5306±92.49)。除木屑外,其它四种植物残体材料对菲吸附分配系数(Kp)与样品芳香性(H/C)呈正相关,与糖分含量及极性指数[(O+N)/C]呈负相关。PAHs在竹叶上的有机碳标化分配系数(Koc)与其辛醇-水分配系数(Kow)呈良好的线性关系。植物提取液可促进细菌对溶液中PAHs的吸附-降解作用,其中桔皮提取液对B1、竹叶提取液对B2降解菲有明显的促进作用。添加1％植物残体明显促进土著微生物对土壤PAHs的去除作用,180天时,植物残体添加组二、三、四、五、六环PAHs回收率比未添加植物材料的对照组分别减少了15～20％、20～39、14～24％、12～23％和17～26％;其中以竹叶效果最佳,与其富含黄酮及多酚类物质有关.吸附作用是植物残体固定化细菌去除溶液中PAHs的重要过程,固定化菌颗粒吸附的PAHs可生物降解,降解程度与载体材料有关,其中以桔皮、木屑较佳。
　　 (2)阐明了生物碳对土壤吸附PAHs的增强作用及影响因素、生物碳固定化菌对溶液中PAHs的增强吸附一降解作用。P100对PAHs的等温吸附曲线呈显著线性,随着碳化温度的升高,生物碳对PAHs的吸附作用和等温吸附曲线非线性增强。生物碳对土壤吸附PAHs的增强作用随生物碳碳化温度及添加量的升高而增大,添加P100明显提高土壤对PAHs的分配作用,而添加P300、P400、P700则同时提高其分配作用和表面吸附作用。当土壤中P300含量超过0.5％,P400、P700含量超过0.1％时,土壤-生物碳混合吸附剂对PAHs吸附主要由生物碳控制;P100和P300添加土壤对PAHs吸附实测值和预测值吻合非常好,而P400、P700添加土壤对PAHs吸附实测值明显低于预测值。吸附作用是生物碳固定化细菌去除溶液中PAHs的重要过程,生物碳固定化菌颗粒吸附的PAHs可发生生物降解,降解程度与生物碳制备温度有关,其中以P400固定化菌吸附的PAHs降解最佳,特别是细菌B2能有效的利用P400固定化菌吸附的PAHs(菲为23％,芘为15％)。
　　 (3)初步搞清了固定化菌对PAHs污染土壤的增强修复作用及影响因素。发现细菌固定化材料既可促进土著菌对PAHs的降解作用,又可增强固定化菌对PAHs的降解,具体效果与载体材料有关,表现为生物碳固定化基材效果优于植物残体。以P700固定化菌效果最为显著,90天时,P700固定化菌添加组三、四、五、六环PAHs回收率比不添加固定化菌的空白对照组分别少24％、22％、24％、38％,主要源于P700对PAHs的强锁定作用导致PAHs可萃取率较低所致。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 固定化微生物修复多环芳烃污染土壤研究进展

1 土壤多环芳烃污染现状

2 多环芳烃污染土壤修复技术研究进展

2.1 物化修复

2.2 生物修复

3 固定化微生物修复技术研究进展

4 固定化微生物修复的影响因素

4.1 固定化载体

4.2 微生物性质

4.3 固定化方法

4.4 固定化条件

5 固定化微生物修复多环芳烃污染土壤的关键问题

6 论文研究思路

第二章 植物残体对多环芳烃的吸附作用及强化微生物修复

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

1.2 实验方法

2 结果与讨论

2.1 植物残体对多环芳烃的吸附行为

2.2 植物提取液对细菌去除溶液中多环芳烃的影响

2.3 植物残体对土壤中多环芳烃消去的影响

2.4 植物残体固定化菌对溶液中多环芳烃的吸附-降解作用

3 小结

第三章 生物碳对土壤吸附多环芳烃的增强作用及其固定化菌降解作用

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

1.2 实验方法

2 结果与讨论

2.1 生物碳对土壤吸附多环芳烃的增强作用及影响因素

2.2 生物碳固定化菌对溶液中多环芳烃的吸附-降解作用

3 小结

第四章 植物残体及生物碳固定化菌增强修复多环芳烃污染土壤及影响因素

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

1.2 实验方法

2 结果与讨论

2.1 固定化菌增强修复多环芳烃污染土壤

2.2 吸附载体材料对固定化修复效果的影响

3 小结

第五章 研究结论、创新点及展望

1 研究结论

1.1 植物残体对多环芳烃的吸附作用及强化微生物修复

1.2 生物碳对土壤吸附多环芳烃的增强作用及其固定化菌的降解作用

1.3 植物残体及生物碳固定化菌增强修复多环芳烃污染土壤及影响因素

2 主要创新点

3 展望

参考文献

个人简历及攻读硕士学位期间完成的论文