根际环境中生物炭吸附态氯苯的生物强化降解机制

Chlorobenzenes (CBs), which are ubiquitous in environment, are typical chlorinated persistent organic pollutants. Bioremediation is the most effective, environmental friendly technology to remove CBs from soil. Based on the previous research that biochar could effectively sorb CBs in soil, this study sought to use a two-steps method – biochar sorption followed by ryegrass rhizosphere degradation – to thoroughly remove CBs from soil, find out the effects of ryegrass root exudates on the sorption of CBs to biochar and the desorption of sorbed CBs form biochar,demonstrate the transform mechanism of sorbed CBs by activated microorganisms stimulated by root exudates and the effect of microbial activity on the changes of surface properties of biochar,and elucidate the collaborative mechanism of ryegrass and degrading bacteria in enhancing the degradation of sorbed CBs and the colonization behavior of the degrading bacteria in rhizosphere environment. Based on these research contents, this study will elucidate the rhizo-effect and regulation mechanism of enhanced degradation of biochar sorbed CBs by ryegrass and microorganisms in rhizosphere and will supply theoretical basis and technical support for in-situ bioremediation of volatile organic compounds contaminated soil.

氯苯（CBs）是环境中普遍存在的典型氯代持久性有机污染物，生物修复是去除土壤中CBs的最有效、最彻底的环境友好型修复方法。本项目在前期生物炭高效吸附土壤中CBs的研究基础之上，拟通过生物炭吸附-黑麦草根际活化降解两步法来实现对土壤中CBs的彻底降解，探明黑麦草主要根系分泌物对生物炭吸附CBs的影响机制以及对吸附态CBs解吸再释放的作用机理；在明确土壤微生物活性和关键酶活性的基础上，阐明根系分泌物驱动下土壤微生物对吸附态CBs的转化机制和对生物炭表面性质变化的影响机制；揭示黑麦草与高效降解菌强化吸附态CBs降解的协同机制并探讨降解菌在根际环境中的定殖行为；在此基础之上综合阐释土壤根际环境中黑麦草-微生物强化生物炭吸附态CBs高效降解的根际效应与调控机理。研究结果将为CBs类挥发性有机物污染土壤的原位生物修复提供理论依据和技术支撑。

本研究以生物炭吸附固定—黑麦草根际活化降解两步法为研究思路，通过研究不同制备温度的小麦秸秆生物炭对氯苯的吸附过程，阐明了生物炭对氯苯的吸附固定机制；研究了胁迫条件下黑麦草根系分泌物的组成及浓度的生理生态响应；通过研究草酸作用下生物炭对氯苯的吸附过程以及生物炭吸附态氯苯解吸过程，揭示草酸对生物炭吸附氯苯的影响机制及草酸对吸附态氯苯的活化效果；利用根箱微宇宙实验，阐明土壤中吸附态氯苯在根际微域中的时空分异和根际降解机理。得出的主要结论如下：小麦秸秆炭可快速高效地吸附氯苯，假二级动力学方程能更好地拟合秸秆炭对氯苯的吸附动力学过程；随着制备温度的升高，生物炭对氯苯的吸附等温曲线由线性变为非线性，吸附机理则由以分配作用为主过渡到分配作用与表面吸附共同作用。不同浓度氯苯胁迫条件下，黑麦草根系总糖分泌量无显著性差异，高浓度氯苯促进低分子量有机酸的分泌，根系分泌的有机酸中草酸分泌量最大，且随着胁迫浓度升高呈上升趋势。草酸抑制了生物炭对氯苯的吸附，促进生物炭吸附态氯苯的解吸，其主要机理在于草酸促进了生物炭中可溶性有机碳的溶出。黑麦草根部对氯苯的累积要显著高于地上部分，但土壤中添加生物炭显著降低了氯苯在黑麦草根部富集。种植黑麦草显著促进了生物炭吸附态氯苯的消解。在离根表不同距离时氯苯的消减存在空间差异，在离根表2mm的近根际微域中，生物炭吸附态氯苯消解最快。通过高通量测序结果表明，在近根际微域中土壤细菌群落结构多样性较低，但一些微生物菌属丰度显著提高，并且与氯苯消解显著相关。黑麦草根系比生物炭对微生物群落结构相似性影响更大。本研究结果证实了利用生物炭吸附固定-植物根际活化降解有机污染物的可行性，为有机污染土壤原位生物修复提供理论依据和技术支撑。