生物炭-微生物-植物协同去除污染红壤中典型PAHs的调控机理研究

Although biochar technology is a potential tool in the remediation of soil contaminated by organic pollutants, there are few related reports about remediation mechanism of biochar technology so far. A further study will focus on the regulatory mechanism of removal of typical PAHs, phenanthrene and pyrene, from contaminated red soil using biochar-microbiology-plant combination method based on the previous research achievements in the last project (NSFC). The key research points are as follows: 1) to study and compare the difference of the key properties of the biochars derived from different organic wastes; 2) to get the construction of biochar with the colonization of the functional microbes; 3) to study the effects of amendments of different types of biochars on the microbial community and the typical PAH-degrading microbial populations in PAHs contaminated soil with/without remediation plant; 4)to study the key factors and the optimal conditions of the PAHs remediation by the biochar-microbiology-plant combination method in red soil. The study achievements of this project can give us a further insight into the effects of biochar on the PAH-degrading microbial community and provide scientific-technical support to the in situ remediation of PAHs contaminated red soil.

生物炭技术在土壤有机污染修复治理方面具有巨大潜力，但目前相关报道很少。本研究在完成上一个国家基金降解典型PAHs的功能微生物研究的基础上，进一步开展生物炭-微生物-修复植物协同去除红壤中典型PAHs（菲和芘）的机理和调控机制研究。主要研究内容包括系统考察不同原材料制备的生物炭的关键性状差异；筛选红壤中土著微生物降解菌种，探索以生物炭为载体构建定殖功能微生物的修复材料；系统分析不同性状的生物炭或定殖功能微生物的生物炭在有无修复植物存在条件下施用对微生物群落及降解典型PAHs的功能微生物种群的影响机理；研究这两类生物炭去除污染红壤中PAHs的关键管控因子；优化修复条件，探讨不同情景下生物炭-微生物-修复植物协同去除典型PAHs的最佳调控措施。通过本项目的研究，有望进一步提升生物炭对PAHs降解微生物群落的作用的认识，研究成果可为安全、高效的污染红壤原位修复治理提供理论依据和技术指导。

生物炭定殖功能微生物复合体（固菌生物炭）在土壤有机污染修复治理方面有巨大潜力，但相关研究少。课题开展了生物炭-微生物-修复植物协同去除焦化厂污染土壤中典型 PAHs调控机制的探索研究。. 具体工作与成果包括：1）利用水稻秸秆、污泥、猪粪等废弃有机物质作为原材料制备了生物炭，分析比较了不同生物炭的关键性状及差异，考察了典型生物炭施用对PAHs迁移的影响；2）分析了生物炭材料输入对PAHs污染土壤中微生物群落结构的影响；3）从焦化厂长期污染土壤中筛选分离到可同时降解多种PAH单体的高效降解菌；4）筛选到适宜的生物炭为载体材料，采用浸泡法固定化高效降解菌，利用扫描电镜及qPCR技术等定量了表征降解菌在生物炭上的定殖情况，成功构建以生物炭为载体定殖功能微生物的修复材料；5）利用泥浆反应器考察了固菌生物炭对污染土壤中PAHs的去除效果，研究结果显示处理18天后，土壤中3种典型PAHs菲、荧蒽和芘去除率分别为62.6±3.2%，52.1±2.3%和62.1±0.9%，去除效果显著优于游离菌。进一步的研究表明泥浆反应体系中PAHs强化去除机制可能为‘生物炭作为污染物与降解菌的汇，促进PAHs从土壤向生物炭再到定殖微生物的迁移与转运，最终促进PAHs降解’；6）盆栽模拟实验结果显示固菌生物炭与植物联合施用情况下可强化污染土壤中PAHs的去除。固菌生物炭和黑麦草联合处理90天后，土壤中3种典型PAHs菲、荧蒽和芘去除率分别为37.71±2.21%，8.5±6.3%和20.8±4.9%，去除效果显著优于游离菌。深入的分析发现固菌生物炭及植物间存在协同作用。固菌生物炭促进了黑麦草生长，添加固菌生物炭后黑麦草植株生物量、株高、PAHs富集能力较空白对照分别增加4.8、1.8、2.7倍；而黑麦草种植显著提高了土壤中与PAHs降解相关的多酚氧化酶活性，促进了生物炭固定化微生物对污染土壤中PAHs的生物降解。.本课题按计划完成了设计的各项研究内容，探究了生物炭定殖功能微生物复合体与植物协同强化PAHs降解的调控机制，研究成果可为有机污染土壤的微生物强化修复技术提供理论依据，在有机污染土壤治理方面有一定的应用价值和现实意义。