黑碳對沉積物中壬基酚吸附-解吸和微生物降解的影響.pdf

1、黑碳是沉積物有機質(zhì)的重要組成部分，由于其吸附性能強、制備成本低、二次污染少等特點，黑碳在水體疏水性有機物(HOCs)污染控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，黑碳對沉積物中HOCs的鎖定作用，及其微生物降解的影響，尤其是微生物降解速率的影響，尚缺乏系統(tǒng)研究。一方面，黑碳會減少HOCs的快速解吸量，抑制其生物可利用性，降低HOCs的降解速率;另一方面，黑碳又會為微生物提供附著載體，并可能降低HOCs對微生物的毒害作用，促進微生物生長，提高HOC

2、s的降解速率。針對這一問題，本文以典型的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物和持久性污染物壬基酚(NP)為目標污染物，一方面，研究了新鮮態(tài)和老化態(tài)黑碳-沉積物體系對NP的吸附-解吸性能與機理，并運用不同染毒順序模擬了可能的污染情況下應(yīng)用黑碳進行有機污染控制的可行性;另一方面，探討了不同NP初始濃度下，黑碳對沉積物中NP微生物降解的不同作用與影響機理。從而闡明黑碳對沉積物中HOCs的長期歸趨的影響，以及將黑碳應(yīng)用于HOCs修復(fù)的可行性，從而為水環(huán)境中HOCs

3、的污染控制與原位修復(fù)提供理論依據(jù)。取得的主要結(jié)果如下:
　　(1)制備并表征了水稻秸稈碳(RC)和粉煤灰黑碳(FC)。兩種黑碳的理化性質(zhì)存在顯著差異，與FC相比，RC擁有較大的比表面積（72.10 m2/g）、孔容（0.13 mL/g）以及更多的表面官能團。吸附實驗表明RC和FC對NP的Freundlich模型吸附系數(shù)Kf分別為43507.13±1157.22和3423.65±81.89(mg/Kg)/(mg/L)n，n值分別為0

4、.39±0.037和0.55±0.043，說明RC對NP的吸附性能和非線性均遠遠大于FC。
　　(2)研究了新鮮態(tài)黑碳-沉積物體系對NP的吸附-解吸性能與機理。兩種黑碳的添加均增強了沉積物體系對NP的吸附(比如5.0％ RC使得沉積物對NP的吸附系數(shù)Kf從110.63±1.77增加至1055.43±34.29(mg/Kg)/(mg/L)n)，抑制了解吸，且RC的作用大于FC;建立了修正的Tenax解吸二域模型(MM)，該模型可以較

5、好地擬合NP在黑碳-沉積物體系中的解吸動力學（R2=0.986-0.995）;并建立了NP在黑碳-沉積物體系中的吸附-解吸耦合模型，由吸附數(shù)據(jù)即可推算出NP的釋放風險;另外，黑碳-沉積物體系中吸附點位和解吸組分之間存在一定相關(guān)性，即黑碳-沉積物體系中的線性分配點位對應(yīng)可解吸組分，非線性吸附點位對應(yīng)難解吸組分;二元線性回歸結(jié)果表明孔隙填充是黑碳對NP非線性吸附和隔離的主要作用機理。
　　(3)探討了老化時間對黑碳-沉積物體吸附性能的

6、影響，并建立了預(yù)測模型。隨老化時間的增加，兩種黑碳-沉積物體系對NP的吸附能力下降，而快速解吸部分升高;老化后的RC對NP的吸附能力依然較強，比如120d老化后，5.0％RC-沉積物體系對NP的吸附系數(shù)Kf依然可達853.28±8.76(mg/Kg)/(mg/L)n;建立了吸附系數(shù)Kf、非線性系數(shù)n、飽和吸附量Qmax,D和分配系數(shù)Kom隨黑碳含量和老化時間變化的線性模型，此模型可有效預(yù)測老化態(tài)黑碳-沉積物體系對NP的吸附能力。

7、　　(4)運用不同染毒順序模擬了幾種情況下用RC進行有機污染控制的可行性。用三種染毒順序模擬了環(huán)境中不同的NP污染情況（情況1:（RC+沉積物）+NP，模擬突發(fā)性沉積物有機污染;情況2:（沉積物+NP）+RC，模擬歷史性沉積物有機污染;情況3:(RC+NP)+沉積物），模擬水體污染治理后，吸附劑攜污染物進入沉積物），結(jié)果表明新鮮態(tài)三種不同染毒順序吸附體系中，NP解吸情況差異不大，而老化40 d后，NP在情況3下的解吸量顯著低于前兩種情況

8、，可能是NP擴散至RC內(nèi)部孔隙或者不可逆吸附點位導(dǎo)致的。但是無論老化與否，NP在三種情況下的難解吸部分Fr均＞0.5，表明RC是一種有前景的NP修復(fù)材料，可以有效應(yīng)用于NP實際污染控制中。
　　(5)探討了RC對沉積物中NP微生物降解的作用。發(fā)現(xiàn)不同NP濃度下，RC作用不同。低NP濃度下（20和50 mg/Kg）下，RC的存在由于限制了NP的生物有效性而抑制了其微生物降解;高NP濃度下（500mg/Kg），短期內(nèi)適量(0.1％和0

9、.2％)的RC通過降低NP對微生物的毒性效應(yīng)而加快微生物生長，從而促進NP降解，但當NP降至較低濃度時，RC最終通過降低NP的生物有效性抑制微生物的持續(xù)降解;而當RC含量進一步增加（例如，＞0.5％時），RC仍以抑制作用為主。由此可知，不同HOCs濃度下，存在一個最適黑碳添加量以促進微生物生長，提高降解速率，實現(xiàn)黑碳-微生物耦合修復(fù)效果。此外，降解數(shù)據(jù)顯示，降解后NP的殘留量與體系中單位比表面積上RC的含量以及孔容總量呈正相關(guān)，說明被R

10、C微孔鎖住或者隔離的NP很難被微生物利用降解。
　　(6)分析了RC對沉積物中NP微生物降解的影響機理。NP在微生物降解過程中的吸附形態(tài)變化研究表明:隨著降解的進行，沉積物殘留的NP中可解吸態(tài)的比例呈現(xiàn)先下降再升高最后下降的趨勢，對比解吸與降解比例發(fā)現(xiàn)，微生物可通過形成生物膜突破NP質(zhì)量傳遞障礙，直接降解吸附態(tài)的NP。高通量測序結(jié)果顯示NP濃度對沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響極顯著(P＜0.01)，而RC則對其無顯著影響(P＞0.0