高效誘變菌與生物炭復(fù)合修復(fù)重金屬污染土壤的研究.pdf

1、生物強(qiáng)化技術(shù)作為土壤重金屬污染的一種原位修復(fù)手段，近年來成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。菌種及外來營(yíng)養(yǎng)源的選擇共同決定了修復(fù)技術(shù)的成敗。本文以枯草芽孢桿菌經(jīng)紫外誘變所獲高耐鎘菌株B38作為活性菌，以玉米秸稈和豬糞2種農(nóng)業(yè)廢棄物為原材料制備的2種生物炭（分別記為CBC和PBC）作為微生物載體，分別研究了上述材料對(duì)鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)和鉛(Pb)4種典型重金屬離子的吸附能力及環(huán)境條件對(duì)吸附的影響;利用盆栽實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了生物強(qiáng)化技術(shù)的修復(fù)效

2、果;并通過傅里葉變換-紅外光譜(FT-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、DNA擴(kuò)增—變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)、熒光標(biāo)記技術(shù)等手段，對(duì)吸附劑形貌、表面元素組成及官能團(tuán)變化、外源微生物和土著微生物生長(zhǎng)情況等進(jìn)行了系統(tǒng)的解析，為闡明載體—微生物強(qiáng)化固定土壤重金屬機(jī)制提供了理論依據(jù)與技術(shù)手段。
　　主要研究結(jié)果包括:(1)誘變菌B38對(duì)3種重金屬陽(yáng)離子普遍表現(xiàn)出高親和力，接觸初期快速吸附于細(xì)胞壁表面

3、，之后達(dá)平衡。陰離子Cr(Ⅵ)在死體菌株上的吸附行為與陽(yáng)離子類似，而在活體菌株上吸附進(jìn)行得非常緩慢，可能是因?yàn)锽38受到鉻脅迫影響生長(zhǎng)與活性;整體上，死體菌株的吸附能力略高于活體菌株;活體菌株的吸附動(dòng)力學(xué)符合指數(shù)方程，死體菌株對(duì)陽(yáng)離子和陰離子的吸附曲線分別符合假一級(jí)動(dòng)力學(xué)和假二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型;pH值對(duì)吸附影響顯著，pH=7.0時(shí)吸附率最高;體系的溫度幾乎不影響吸附;離子強(qiáng)度對(duì)Hg的吸附幾乎沒有影響，對(duì)Cd、Cr存在一定影響，特別是對(duì)Pb影

4、響較大，說明靜電吸附在Hg的吸附過程中可以忽略，而Cd的靜電吸附能要高于Pb;具有相同吸附點(diǎn)位的離子，在單一體系下具有最高吸附量的離子(Pb)在多元體系下對(duì)其它離子存在強(qiáng)抑制作用，而Cd與Hg、 Pb與Hg離子分別在二元體系下吸附行為互不影響，因此吸附點(diǎn)位不同;B38細(xì)胞壁含有羥基、羰基、羧基、酰胺基等活性基團(tuán)，在吸附過程中與金屬離子形成絡(luò)合物。(2)為探究B38對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)效果，選擇了一種工業(yè)廢棄物諾沃肥作為外來營(yíng)養(yǎng)源。盆栽

5、實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)生物強(qiáng)化技術(shù)對(duì)土壤重金屬起到了固定作用，降低植物積累。但僅添加B38對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用不明顯，單獨(dú)施加諾沃肥反而起到抑制作用，B38和諾沃肥協(xié)同作用顯著增加植物可食部分生物量。B38在外來營(yíng)養(yǎng)源的輔助下活性最高。(3)選擇二乙基三胺五乙酸(DTPA)、復(fù)合制劑Mehlich3(M3)和BCR1（Community Bureau of Reference推薦連續(xù)提取法第1步）3種化學(xué)提取法預(yù)測(cè)重金屬的生物可利用性。研究發(fā)現(xiàn)DT

6、PA對(duì)葉菜類植物的生物有效性預(yù)測(cè)效果最佳，M3和BCR1分別適用于根莖類和豆科植物。(4)生物炭對(duì)重金屬的吸附研究發(fā)現(xiàn)CBC對(duì)Hg表現(xiàn)出了高親和力，PBC對(duì)Pb親和力更高;當(dāng)生物炭與B38復(fù)合后，2種復(fù)合吸附劑均對(duì)Pb吸附能力更強(qiáng);同種重金屬離子，B38菌株與PBC復(fù)合的吸附能力要強(qiáng)于與CBC復(fù)合;2種生物炭的吸附行為符合Freundlich模型，2種復(fù)合吸附劑符合Langmuir-Langmuir模型;Hg和Pb離子在生物炭上發(fā)生拮抗

7、作用，在復(fù)合吸附劑上的相互之間略有競(jìng)爭(zhēng)，但作用不大，說明2種離子在生物炭上的吸附點(diǎn)位有所重疊，但B38的引入改變了生物炭的表面性狀，使2種離子擁有各自的專性吸附點(diǎn)位。(5) SEM研究發(fā)現(xiàn)2種生物炭的微觀形貌存在顯著差異，CBC為篩板狀多孔片層結(jié)構(gòu)，微孔密集分布于炭層上;PBC為表面凹陷的多孔顆粒狀結(jié)構(gòu)，表面向內(nèi)凹陷形成塌陷的空腔，可以為重金屬離子提供更多吸附點(diǎn)位，為微生物的復(fù)合提供更大的空間。FT-IR光譜和XPS能譜研究發(fā)現(xiàn)，與B3

8、8復(fù)合使CBC表面官能團(tuán)數(shù)量減少、多樣性降低，卻可增加PBC表面的官能團(tuán)數(shù)量和種類;在吸附過程中，生物炭表面的羥基、羰基和羧基等含氧官能團(tuán)、芳香環(huán)上的羰基和酚羥基、CBC纖維素上的脂肪族醚類(C-O-C)和醇羥基(-OH)參與了離子交換吸附作用;生物炭表面呋喃γ-CH以及吡啶β環(huán)等雜環(huán)化合物參與了陽(yáng)離子-π鍵作用。(6)將誘變菌B38與載體CBC或PBC應(yīng)用于生物強(qiáng)化處理。PBC復(fù)合B38后顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)，CBC與B38復(fù)合對(duì)作物生長(zhǎng)

9、的影響不大;各處理均能不同程度的降低植物對(duì)重金屬的積累和土壤中重金屬有效態(tài)含量，其中以PBC和B38復(fù)合效果最佳，植物可食部分Cd和Pb含量均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。(7)利用熒光標(biāo)記示蹤技術(shù)監(jiān)測(cè)不同載體輔助下B38的生長(zhǎng)情況。僅添加B38，菌體濃度不斷上升，緩慢趨于穩(wěn)定;CBC和諾沃肥輔助處理，菌體濃度迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);PBC的處理菌體濃度先迅速上升，之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，B38對(duì)惡劣的環(huán)境有較高的適應(yīng)性及發(fā)展?jié)摿?，在與土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)中處于

10、優(yōu)勢(shì)，載體物質(zhì)為土著微生物和外源微生物均能提供碳源、氮源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和棲息地。
　　本論文的研究表明:高耐鎘菌株B38對(duì)多種重金屬離子均具有較高的吸附能力;生物炭作為一種新型環(huán)境材料，不僅能夠吸附重金屬污染物，而且能夠提高土壤肥力，改善土壤生境，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和棲息場(chǎng)所，特別是動(dòng)物源的生物炭成為微生物的優(yōu)良載體。微生物與生物炭協(xié)同固定土壤重金屬污染，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤重金屬的原位修復(fù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物的就地取材、二次利用，