氯代烷烃在垃圾填埋场覆盖层中的迁移转化及降解机制研究

摘要

垃圾填埋场厌氧发酵过程产生了大量填埋气，是氯代烃污染的重要来源，垃圾填埋场覆盖层对氯代烃有生物降解效果，对控制氯代烃进入大气具有重要作用，但氯代烃在垃圾填埋场覆盖层生物降解机制尚不明晰，限制了氯代烃生物修复方法的构建，深入解析垃圾填埋场覆盖层中的沿程生物降解机制对氯代烃污染场地的原位修复具有重要指导价值。氯代烷烃是填埋气中高检出率的氯代烃，且具有高毒性、高富集性、高环境残留的特点和致癌、致畸、致突变效应，对人体健康和生态环境造成了严重危害。据此，本研究以实际垃圾填埋场覆盖土为生物介质，构建了模拟垃圾填埋场覆盖层系统，并结合多样性测序技术系统分析了二氯甲烷（DCM）、氯仿（CF）和四氯化碳（CT）三种典型氯代烷烃在垃圾填埋场覆盖层中的迁移转化及降解机制，具体结论如下：　　1）甲烷氧化对填埋气分布影响显著，使垃圾填埋场覆盖层呈现有氧层（0~20cm）、缺氧层（20~40cm）和无氧层（＞40cm）三个特征层带，结合对土壤理化性质和微生物群落结构的主成分分析，可知特征层带中填埋气分布、土壤理化性质和微生物群落结构差异显著。填埋气至下而上迁移过程中依次经过垃圾填埋场覆盖层的无氧层、缺氧层和有氧层，甲烷氧化终产物二氧化碳使得有氧层pH较缺氧层和无氧层低。　　2）DCM氯取代程度较低，在无氧层中DCM难以进行厌氧还原脱氯降解，在有氧层和缺氧层中DCM可在甲烷氧化菌产生的甲烷单加氧酶作用下催化氧化成CO2，并产生Cl-，有氧层中覆盖土表面以下15cm处Cl-含量最高，为214.6mg/kgsoil，且有氧层和缺氧层中甲烷氧化菌的相对丰度显著高于无氧层，其中优势甲烷氧化菌为unclassified_f__Methylocystaceae（甲基孢囊菌科）。　　3）CF氯取代程度较高，具有不同的沿程降解机制和功能微生物群落。有氧层的优势菌为甲烷氧化菌，其中Ⅰ型菌Methylobacter（甲基杆菌属）及Ⅱ型菌Methylosinus（甲基弯菌属）居多，缺氧和无氧层中Anaeromyxobacter（厌氧粘细菌属）成为了优势CF厌氧降解菌。CF在缺氧层和无氧层中经厌氧还原脱氯转化为DCM，部分DCM在Dehalobacter（脱卤素杆菌属）作用下产生乙酸盐、H2和CO2，其余CF和DCM在有氧层中通过甲烷氧化菌共代谢降解。覆盖层表面下方15cm左右的甲烷氧化菌相对丰度最高（＞20%），共代谢降解的CF最多，因而覆盖土的Cl-含量最高，为293mg/kgsoil。　　4）CT为全氯取代物，在垃圾填埋场中的沿程降解机制和微生物群落亦具有特殊性。在无氧层中，CT可在CT厌氧降解菌的作用下脱氯产生CF和DCM，其中优势CT厌氧降解菌为Pseudomonas（假单胞菌属）。在有氧层中，CT脱氯产物CF和DCM可被甲烷氧化菌共代谢降解。在缺氧层中，CT厌氧降解菌和甲烷氧化菌的相对丰度均较高，可同时发生无氧层和有氧层中的反应。CT降解产物Cl-随着时间的增加而逐渐增加，无氧层和缺氧层的Cl-含量高于有氧层的Cl-含量，最高为186.7mg/kgsoil。　　5）由于氯取代程度不同，DCM在覆盖土表层无检出，DCM的去除率为100%，DCM易好氧共代谢降解；CF在垃圾填埋场覆盖层中好氧共代谢降解效率为36%，厌氧还原脱氯降解效率为9.6%，好氧共代谢降解起主要作用；CT的生物降解只发生在缺氧层和无氧层，通过厌氧还原脱氯降解，降解效率为34.9%（气体通量0.612m3·m-2·d-1）。氯取代程度不同也导致氯代烷烃在垃圾填埋场覆盖层中的主导降解微生物不同，DCM的主导降解微生物为unclassified_f__Methylocystaceae，CF的主导降解微生物为Methylosinus，CT的主导降解微生物为Pseudomonas。　　本研究通过垃圾填埋场覆盖层模拟实验与静态小试实验相结合，利用填埋气分析、土壤理化性质分析及微生物群落结构、相对丰度分析，全面解析了垃圾填埋场覆盖层中氯代烷烃的迁移转化及降解机制。研究结论可丰富污染场地的微生物信息，为氯代烃类污染控制工艺提供理论支撑和实践基础，并为该类污染物的原位修复提供优化策略。

目录

声明

符号说明

1 绪论

1.1 垃圾填埋场中填埋气的组成及危害

1.2 氯代烃污染及降解概述

1.2.1 氯代烃的生物降解

1.2.2 氯代烃的非生物降解

1.3 覆盖层中与氯代烃降解相关的微生物

1.3.1 甲烷氧化菌

1.3.2 其他微生物

1.4 复杂环境体系中氯代烃类污染降解研究展望

1.5 研究目标、内容及技术路线

1.5.1 研究目标

1.5.2 研究内容

1.5.3 技术路线

2 实验材料与方法

2.1 垃圾填埋场覆盖土

2.2 主要试剂与仪器

2.2.1 主要试剂

2.2.2 主要仪器

2.3 实验方法

2.3.1 模拟垃圾填埋场覆盖层的构建

2.3.2 模拟垃圾填埋场覆盖层的运行

2.3.3 氯代烷烃降解批次实验

2.4 分析检测

2.5 DNA提取与多样性测序

3 二氯甲烷在垃圾填埋场覆盖层中的迁移转化及降解机制

3.1 二氯甲烷垃圾填埋场覆盖层中的填埋气分布特性

3.2 垃圾填埋场覆盖层中的甲烷氧化与二氯甲烷降解情况

3.3 垃圾填埋场覆盖层中二氯甲烷的降解微生物及生物转化机制

3.4 本章结论

4 氯仿在垃圾填埋场覆盖层中的迁移转化及降解机制

4.1 氯仿垃圾填埋场覆盖层的稳态运行及填埋气的梯度分布

4.2 垃圾填埋场覆盖层中的甲烷氧化和氯仿降解情况

4.3 垃圾填埋场覆盖层中的微生物群落结构变化

4.4 垃圾填埋场覆盖层中氯仿的生物转化机制分析

4.5 本章结论

5 四氯化碳在垃圾填埋场覆盖层中的迁移转化及降解机制

5.1 四氯化碳垃圾填埋场覆盖层特征层带的分布特性

5.2 垃圾填埋场覆盖层特征层带中的甲烷氧化和四氯化碳降解情况

5.3 垃圾填埋场覆盖层特征层带中的四氯化碳降解微生物

5.4 垃圾填埋场覆盖层特征层带中四氯化碳的生物降解机制

5.5 本章结论

6 氯取代程度对氯代烷烃降解机制的影响

6.1 垃圾填埋场覆盖层特征层带分布特性

6.2 特征层带中不同氯取代程度氯代烷烃的沿程分布及降解过程

6.3 特征层带中不同氯取代程度氯代烷烃的主导降解微生物

6.4 本章结论

7 结论和展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 不足与展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果