生物炭对水体沉积物中关键底栖生物和微生物群落影响及作用机理研究

Biochar is the pyrolysis product of biomass raw materials under the conditions of hypoxia and high temperature. It is a solid material with high stability, high aromatization and rich carbon. Biochar has been widely used not only in carbon sequestration and soil fertility improvement, but also in soil, water and sediment restoration. Biochar will be stable for a long time after it enters into the aquatic environment, but there are few reports on the effect of biochar on aquatic ecology.This project selected typical raw materials to conduct biochar production at different pyrolysis conditions, surrounding the biochar, the central issue of the ecological effects in sediment, to the physical and chemical properties of biochar (pH, organic carbon content, specific surface area) and toxic substance content of key benthos and the study of the microbial community, to explore the effects generality of biochar on the sediment aquatic ecological effect and its mechanism of action. The key benthic organisms，Limnodrilus hoffmeisteri and Chironomus dilutus，are selected to reveal the key factors affecting benthic behavior by different types of biochar.Synchronized with macrogenome sequencing, 16S rDNA sequencing and Quantitative Real-time PCR, the key mechanism of biochar affecting the microbial ecological community and the key process of nitrogen cycle in aquatic sediments are explored. The outcome of this study will provide a scientific basis and theoretical guidance for application of biochar in environmental remediation.

生物炭是生物质原材料在缺氧和高温条件下的裂解产物，具有高稳定性、高度芳香化、富含碳素的固态物质。生物炭不仅在碳封、土壤肥力改良等方面得到广泛的应用，还在土壤、水体及沉积物等环境修复领域逐渐受到关注。生物炭进入水环境后将长期稳定存在，但生物炭对水生态效应影响研究很少报道。本项目采取典型原材料，在不同热解条件下制备生物炭，围绕生物炭在水生态效应影响这一核心问题，以生物炭的pH、有机碳含量、比表面积和有毒物质含量对关键底栖生物和微生物群落影响这一研究主线，探索具有普适性的生物炭对沉积物中水生态效应的影响及其作用机理。选取关键底栖生物摇蚊幼虫和霍普水丝蚓为研究对象，揭示不同类型生物炭对底栖生物环境行为的影响关键因子；同步结合宏基因组和16s rDNA测序、定量PCR等技术，探索生物炭对水体沉积物微生物生态群落及氮循环关键过程的影响机制和关键机理，将为生物炭在环境修复应用提供科学依据和理论指导。

本研究以猪粪、牛粪、毛竹、玉米秸秆、污泥、沉积物为原材料制备不同热解温度下（400℃、500℃、600℃）的生物炭，探讨生物炭在水环境中的生态效应影响研究。本研究分析不同原材料、不同热解温度制备的生物炭物理结构、组分特征、基础化学性质；探究生物炭重金属总量、化学形态特征、可迁移性及重金属引起的潜在生态风险；研究生物炭的浸出毒性，选取青海弧菌Q67、摇蚊幼虫（Chironomid Larvae）等代表物种，测试发光细菌抑制率，摇蚊幼虫的存活率、SOD和CarE酶活性，并分析造成生物毒性的主要因素。制备污泥生物炭及其锰改性生物炭，研究其对发光细菌Q67的生物毒性，并针对不同处理方式培养的沉积物进行微生物16SrDNA多样性分析，探究锰负载生物炭对微生物群落结构影响。研究表明：随着温度的升高，生物炭灰分、pH值逐渐升高，污泥生物炭灰分含量也随之较高，污泥生物炭在热解温度为600℃时灰分占比达到96%。热解温度为400℃时牛粪和猪粪生物炭中的重金属Cd、Zn主要以F2+F3态形式存在，该形态的重金属Cd、Zn含量分别为0.50、69.16 mg/kg，分别占总量的75%和86%。随温度升高，猪粪、牛粪生物炭重金属生态风险逐渐降低。生物炭重金属Cu的含量增加可能导致SOD酶活性提高。生物炭中重金属和∑16 EPA多环芳烃的浸出潜力较低，对底栖动物影响较小。玉米秸秆等农田废弃物生物炭中重金属Ni和pb的含量也可能会造成生态风险。改性生物炭添加后，对照组在15天培养中微生物群落发生了明显变化，Bacillus、Fonticella和Clostridium_sensu_stricto_10的丰度占比分别从14.42%、10.54%、6.55%降低至11.64%、7.85%、3.92%。生物炭投加量为5%时，Symbiobacteraceae含量达到20.28%，相较于对照组有大幅度增加，改性生物炭促进了Symbiobacteraceae成为优势种群。生物毒性试验表明生物炭的粒径和较大比表面积可能是影响底栖动物生长的限制性因子，造成潜在毒性，该研究为生物炭在水环境领域安全性的应用提供基础。以上研究为深入认识典型生物质原材料和不同热解条件制备的生物炭的水环境生态效应提供了重要手段，为生物炭应用于水环境修复提供了技术支撑。