生物炭介导土壤生物电流驱动有机氯还原脱氯的效果与机制

Organochlorine pollution in soil is a global environmental problem, which has attracted great concern over past two decades. Reduction dechlorination of organic chlorine compounds is one of the most effective pathways of detoxification. Based on the unique electron transfer property of extracellular respiration, soil bioelectrochemical systems (SBESs) are capable of facilitating the transformation and detoxification of organochlorine pollutants. However, the transformation of organochlorine pollutants only takes place on the interface of electrodes, which limits the remediation efficiency of the SBESs. In this project, we hypothesizes that soil biocurrent mediated by biochar is capable of be transferred over long distances from the electrode, which can facilitate the detoxification of organochlorine pollutants that are located far away from the electrode interface in the soils. We will use biochar as the model conductive matter to explore the efficiency of detoxification of organochlorine pollutants by the SBESs in the biochar-amended organochlorine contaminated Paddy soil. The long-distance transfer pathway of extracellular electrons from electrode to bacteria, biochar and pollutants will be investigated in detail. We will reveal the electron transfer mechanism mediated by biochar conductive network and the dependence of detoxification efficiency of organochlorine pollutants on the biocurrent in the SBESs. Finally, we will investigate the potential microbial and chemical mechanisms of the improved detoxification efficiency of organochlorine pollutants in the system. We hope that the results of this project can provide theoretical foundation for the practical application of soil bioelectrochemical remediation techniques.

土壤有机氯污染是一个全球性的环境问题，还原脱氯反应是有机氯脱毒转化的重要途径。基于胞外呼吸的独特电子传递特性，土壤生物电化学系统可强化有机污染物的定向脱毒转化。然而，污染物转化反应主要局限于电极界面（电极/污染物间的电子转移距离受限），制约了土壤生物电化学修复技术的功效。由此，本项目提出了“生物炭介导土壤生物电流长距离传递强化有机氯还原脱氯”的假说。以有机氯污染水稻土为对象，以生物炭为模型导电物质；系统研究生物炭耦合生物电化学系统驱动的“电极-微生物-生物炭-污染物”电子“长距离”传递过程，解析电子传递过程中生物炭导电网络的介导机制，揭示生物电流偶联有机污染物定向脱毒转化的距离效应，明确水稻土中还原脱氯作用强化发生的生物－化学耦合机制，为建立土壤生物电化学修复新技术提供科学依据。

本项目针对土壤生物电化学系统驱动污染物转化主要发生在电极界面的局限，提出了生物炭介导土壤微生物 “长距离”电子传递强化有机氯污染物降解的新策略。以有机氯污染土壤为对象，以生物炭为模型导电物质，系统研究生物炭耦合生物电化学系统驱动“电极-微生物-生物炭-污染物”电子传递过程，解析电子传递过程中生物炭导电网络的介导机制，揭示了其与生物电流偶联驱动有机污染物脱毒转化的效应，明确了污染土壤中污染物降解过程中强化发生的微生物-电化学耦合机制，为建立土壤微生物电化学污染物修复新技术提供科学依据。项目主要研究进展包括：1）系统评价了不同温度生物炭和添加量对土壤生物电化学装置生物电流变化的影响，测定距离工作电极不同位置的土壤中五氯酚浓度动态，明确了生物炭耦合生物电流强化有机氯还原脱氯的效果和距离效应，有效果距离可达16cm以上；2）探究了生物炭耦合生物电化学系统驱动的“电极-微生物-生物炭-污染物”电子“长距离”双向传递过程，解析电子传递过程中生物炭导电网络的介导机制，并明确了不同温度生物炭和添加量对介导土壤“长距离”电子传递的影响；3）利用生物电化学系统定向富集高效降解有机氯污染物的电活性生物膜，结合DNA-SIP及其他生态学分析手段，探究了有机氯降解过程的脱氯和矿化阶段的功能降解微生物，揭示了有机氯降解的微生物学机制，探讨了电活性菌与污染物功能降解菌之间的互作强化有机污染物降解过程；4）系统考察了水稻土土壤类型对土壤微生物电化学系统性能的影响，阐明了实际土壤条件下影响生物炭长距离电子传递的因素，发展了微生物-光-电化学耦合技术调控其对有机污染物的降解进程，系统研究了该系统耦合强化降解有机物的过程和微生物机理。本研究项目按照计划进行了研究，完成了项目所有内容。相关结果已发表SCI论文14篇，申请发表专利2件（获授权1件），培养博士生和博士后各1名，硕士研究生4名。