土水界面五氯酚的消減行為及其受電子供體-受體影響的機(jī)制研究.pdf

1、五氯酚(Pentachlorophenol，PCP)是環(huán)境中普遍存在的一類持久性有機(jī)污染物，在我國(guó)曾被大量用于殺滅釘螺以控制血吸蟲病傳播。由于其性質(zhì)穩(wěn)定、難以降解，嚴(yán)重危害著土壤的生產(chǎn)力、生態(tài)功能、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人類健康。因此，有關(guān)PCP在土壤中的環(huán)境行為及其修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成為土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的熱點(diǎn)。水稻田是世界上最大的人工濕地。由于稻田管理的需求，水稻土中氧化還原波動(dòng)控制了微生物群落結(jié)構(gòu)的功能以及短期的生物地球化學(xué)過(guò)程。本文

2、以PCP為目標(biāo)污染物，研究其在不同土壤、特別是水稻土土-水界面的特異消減行為，主要包括土壤類型（包括旱地土壤、水稻土）、氧化還原狀態(tài)（含水量差異）、淹水水稻土剖面（毫米級(jí)微域），外源電子供體與受體對(duì)土壤剖面PCP消減及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)好氧、厭氧條件下PCP在土壤中的消減動(dòng)態(tài)變化。選擇黃斑田、紅壤、潮土和黑土4種性質(zhì)差異較大的土壤進(jìn)行60％最大田間持水量(WHC)和淹水培養(yǎng)，研究?jī)煞N培養(yǎng)條件下

3、PCP消減的差異。結(jié)果表明在3種旱地土壤中PCP的消減為60％WHC高于淹水培養(yǎng)，而水稻土黃斑田則相反。通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)兩種條件下PCP消減進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，在兩種條件下，黃斑田與黑土中PCP的消減均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。雖然黃斑田與黑土的理化性質(zhì)較其它兩種土壤更為相近，并且兩種土壤培養(yǎng)終點(diǎn)PCP消減率相似，但過(guò)程卻明顯不同。最后，采用[Cl-]/△[PCP]摩爾比表示PCP脫氯效率，結(jié)果顯示，淹水條件下，[Cl-]/△[PCP]為黃斑田

4、(4.86)＞黑土(2.68)＞潮土(0.29)≈紅壤(0.22);好氧條件下則為黃斑田(4.93)＞潮土(4.87)＞黑土(4.60)＞紅壤(1.53)。
　　 (2)電子受體對(duì)淹水土壤PCP消減行為的影響。土壤在淹水處理下分別添加FeCl3、NaNO3和Na2SO4，研究Fe(Ⅲ)、NO3-、SO42-等電子受體對(duì)黃斑田、紅壤、潮土和黑土4種土壤中PCP消減的影響。發(fā)現(xiàn)外源電子受體明顯抑制了黃斑田和黑土中PCP消減以及脫氯作

5、用，且Fe(Ⅲ)和SO42-對(duì)黃斑田，F(xiàn)e(Ⅲ)和NO3-對(duì)黑土中PCP消減的抑制達(dá)到了顯著水平(p＜0.05)。在120 d培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，黃斑田的氧化還原電位從220 mV降低到-4 mV，而黑土的氧化還原電位從180 mV降低到-50 mV，可見(jiàn)僅黃斑田與黑土中形成強(qiáng)還原環(huán)境，電子受體對(duì)PCP消減的抑制作用僅發(fā)生在PCP還原脫氯環(huán)境中。這種抑制作用可能由兩方面造成，一是外源氧化劑與PCP同作為電子受體的競(jìng)爭(zhēng)作用，二是其氧化性提高了環(huán)境

6、初始Eh及減緩了Eh下降速度。此外，四種土壤之間的PCP消減存在較大差異，說(shuō)明土壤自身理化性質(zhì)決定其能否在15mm土層內(nèi)形成強(qiáng)還原環(huán)境。
　　 (3)PCP在土壤剖面中毫米級(jí)深度梯度尺度下的消減規(guī)律。根據(jù)PCP在三種受試水稻土剖面上不同深度土層（毫米級(jí)）的消減狀況差異，可將土壤剖面分為上、下兩個(gè)層次，PCP消減在上層中隨土壤深度的增加而遞減，而在下層中隨土壤深度的增加則變異不大。然而，不同類型的土壤，其上層深度存在差異，黃斑田、

7、紅壤性水稻土和磚紅壤性水稻土分別為0-15 mm、0-25 mm和0-30mm，PCP消減分別為40-93％、42-88％及16-100％。在下層土壤中僅紅壤中PCP發(fā)生顯著消減(p＜0.05)，黃斑田中較為微弱，而磚紅壤中基本保持不變。下層土壤中PCP消減與電子供體/受體(DOC、Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和SO42-）呈顯著相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)，而上層土壤則不然。說(shuō)明上層土壤氧化還原環(huán)境較為復(fù)雜，包括好氧環(huán)境和兼氧環(huán)境，而下層土壤則

8、為嚴(yán)格厭氧環(huán)境，電子受體(Fe(Ⅲ)和SO42-(0)的還原會(huì)與PCP還原存在對(duì)電子供體的競(jìng)爭(zhēng)作用?？傊?，從毫米級(jí)深度尺度研究土壤環(huán)境的生物地球化學(xué)過(guò)程，可以更清楚了解有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制。
　　 (4)基于外源添加不同作物秸稈（水稻、小麥、油菜和紫云英）的形式研究了外源電子供體對(duì)土壤剖面中PCP消減行為的影響作用。研究0-10 mm、10-20 mm、20-30 mm和30-50 mm土壤剖面內(nèi)PCP消減的動(dòng)態(tài)變化。添加秸

9、稈可有效促進(jìn)PCP在土壤剖面中的消減。研究表明所有添加秸稈處理土壤中PCP基本在60 d內(nèi)降解完全，而對(duì)照處理中仍有大量PCP殘留。在黃斑田和紅壤中均檢測(cè)到PCP的代謝產(chǎn)物3，4，5-TCP和2，3，4，6-TeCP，而磚紅壤中僅在培養(yǎng)早期的一些處理中檢出微量中間產(chǎn)物。兩種土壤中3，4，5-TCP的轉(zhuǎn)化隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)表現(xiàn)出極大差異，在黃斑田小麥添加處理以及紅壤的水稻、小麥和紫云英添加處理中，3，4，5-TCP被進(jìn)一步降解。以上結(jié)果說(shuō)明

10、秸稈分解釋放的外源有機(jī)碳作為電子供體對(duì)PCP消減的促進(jìn)作用因土壤性質(zhì)及秸稈類型不同存在差異。
　　 (5)基于PLFAs技術(shù)，研究了PCP脅迫、電子受體和電子供體的添加對(duì)黃斑田土壤剖面中微生物量和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響及其與PCP消減的相關(guān)關(guān)系。PLFA主成分分析結(jié)果表明，在培養(yǎng)試驗(yàn)中，土層深度是影響微生物群落結(jié)構(gòu)變異的首要因子，而外源電子供體和受體添加占次要位置。PLFA總量在0-10 mm土層最高并隨土層深度的增加有降低的趨勢(shì)

11、。真菌、好氧菌、藍(lán)細(xì)菌、環(huán)丙烷脂肪酸前體脂肪酸、革蘭氏陰性菌、飽和脂酸和單不飽和脂肪酸均在0-10 mm土層最高，但隨土層深度增加而降低，而細(xì)菌、放線菌、厭氧菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、硫酸鹽還原菌、異構(gòu)和反異構(gòu)則相反。土壤中添加秸稈可使這些特征脂肪酸剖面梯度差異變小甚至消失。然而，與其它任一處理相比，添加秸稈處理S/M值隨土層深度增加而遞增。PCP殘留量與代表革蘭氏陽(yáng)性菌的i14∶0呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)，3，4，5-TCP含量與代表硫