生物炭作用下土壤中根系-微生物互作与多环芳烃降解过程的耦合机制

There was a broad contamination of agricultural soils by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in China. A two-step remediation approach – sorption by biochar and then rhizodegradation of PAHs in soil will be studied, based on the research aspects of the bioavailability and microbial community structure. This study sought to establish the in-situ method, based on solid phase micro extraction, for assessing the bioavailability of PAHs in rhizosphere soil and to elucidate the influencing mechanism of biochar on the veracity of the chemical method used for bioavailability assessment, demonstrate the effects of the main exudates from ryegrass roots on the desorption of biochar-sorbed PAHs and on the aging of biochar in soil, and couple the community structure and functions of the microbes in rhizosphere with in-situ stable isotope probing technology. Based on these research contents, this study will systematically elucidate the coupling mechanisms of the root-microbe interactions and the degradation of PAHs in soil rhizosphere, as affected by biochar, from chemical and biological point of view, and will supply theoretical basis and technical support for the in-situ bioremediation of PAHs contaminated agricultural soils.

本项目拟以面广量大的多环芳烃（PAHs）污染农田土壤为研究对象，以生物炭吸附阻控-植物根际活化降解两步法为研究思路，从生物有效性和微生物群落结构着手，研究PAHs污染农田土壤的生物修复机理；建立基于固相微萃取的毫米级根际微域中PAHs生物有效性的原位表征方法，阐明生物炭外源输入对土壤中PAHs生物有效性化学评价方法的影响机制；明确主要根系分泌物对吸附态PAHs再释放的作用机制和对生物炭老化状态的影响；在原位条件下利用稳定同位素探针技术关联耦合根际环境中微生物群落结构与其降解功能，从化学和生物学角度系统阐释根系-微生物互作与PAHs降解的耦合过程与机制，并明确生物炭在此过程中的影响机制，为PAHs污染农田土壤的原位生物修复提供理论依据和技术支撑。

多环芳烃（PAHs）是我国农田土壤中的首要有机污染物，其原位生物修复是一种安全高效的绿色修复技术。本项目以PAHs为研究对象，开展了生物炭-植物根际联合作用下土壤中PAHs的微生物降解机制研究。构建了基于固相微萃取技术的土壤中PAHs生物有效性原位表征方法，通过黑麦草富集和蚯蚓富集实验验证了固相微萃取表征方法的准确性。利用热解、活化方法制备了高吸附性能生物炭，并基于此研发了新型固相微萃取探针，提高对疏水性有机污染物的吸附效率；利用水培实验明确了PAHs胁迫下黑麦草根系分泌物释放的动态变化。明确主导型根系分泌物小分子有机酸对生物炭吸附PAHs 效果的影响机制，揭示了根系分泌物作用下生物炭表面性质的变化特征。利用固相微萃取原位表征技术明确了糖类和氨基酸对土壤中PAHs生物有效性的影响机制；揭示了生物炭作用下根系-微生物互作促进PAHs降解的生物学机制。利用土培实验、根箱盆栽实验明确了生物炭和根系分泌物共同作用协同促进PAHs降解。玉米秸秆生物炭和根系分泌物调控了土壤微生物群落结构和相关功能基因，进而调控了PAHs上游降解途径和下游小分子碳代谢途径。从土壤微生物群落结构、酶活性和代谢途径等共同揭示了PAHs对土壤微生物的胁迫作用，明确了生物炭和根系分泌物介导下土壤微生物对胁迫的响应机制；基于稳定性同位素探针和高通量测序技术明确了根际土壤中PAHs降解功能微生物物种及其演替规律，解析出功能微生物紧密合作主导了土壤中PAHs的生物降解；阐明了不同耕作模式下生物炭对PAHs的阻控与修复机制。研究了旱作、稻作和水旱轮作三种耕作模式下不同生物炭对PAHs的阻控效果，揭示了低温制备型生物和水旱轮作相结合可最大程度降低农田土壤中PAHs的环境风险和人体健康风险，构建了适用于长三角区域典型PAHs污染农田土壤修复技术，为PAHs污染农田土壤生物修复提供了理论依据和技术支撑。