生态环境学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (11): 1782-1791.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2024.11.012
李文章1,2,5(), 胡亚茹1,3,*(
), 李法云1,2,*(
), 王玮1,3, 张继宁4, 郭琴1,2
收稿日期:
2024-06-21
出版日期:
2024-11-18
发布日期:
2024-12-06
通讯作者:
李法云。E-mail: lnecology@163.com作者简介:
李文章(1997年生),男,硕士研究生,研究方向为有机污染场地修复。E-mail: lwz18333286318@163.com
基金资助:
LI Wenzhang1,2,5(), HU Yaru1,3,*(
), LI Fayun1,2,*(
), WANG Wei1,3, ZHANG Jining4, GUO Qin1,2
Received:
2024-06-21
Online:
2024-11-18
Published:
2024-12-06
摘要:
氯苯是有机化工行业重要的中间体和有机溶剂,经生产、运输过程泄漏以及末端违规排放而迁移至土壤,严重威胁生态环境和人体健康。氯苯对土壤的污染状况及绿色高效修复一直是环境领域的热点问题。微生物修复技术具有能耗低、绿色无二次污染等优点,但其在污染土壤中的实践往往面临菌株存活能力差、降解效率低等关键技术难题。生物炭可作为载体固定化高效降解微生物,但其性能常受到比表面积、官能团等因素制约。将硫酸铁、凹凸棒石和芦苇秸秆以1꞉2꞉10的比例均匀混合后在500 ℃条件下无氧热解2 h,对芦苇生物炭进行改性以提高其对降解微生物的固定能力。进一步优化了载体固定化铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa W3的条件,制备铁改性生物炭-凹凸棒石载体固定化菌剂(BFAT@W3),并将其应用于污染土壤修复。结果表明,经硫酸铁和凹凸棒石改性后的生物炭比表面积(210.7 m2·g-1)和孔体积(0.13 cm3·g-1)较高,官能团种类丰富。固定化降解微生物的最佳条件为吸附温度37 ℃、吸附时间16 h、载体投加量15 mg·mL-1,此条件下固定的有效活细胞浓度为2.10×109 cell·g-1。在实际氯苯污染土壤中,投加比例为3꞉100的BFAT@W3材料对氯苯去除率较高(83.4%),较相同比例的W3提高了18.6%。16S rRNA高通量测序结果显示,3꞉100的BFAT@W3能有效增加土壤中变形菌门(Proteobacteria)和假单胞菌属(Pseudomonas)的相对丰度,相较于同比例的W3处理组分别提高了41.3%和36.7%,增强了降解微生物在土壤群落中的竞争优势。该研究通过制备性能良好的铁改性生物炭-凹凸棒石载体固定化高效降解菌剂,可为氯苯污染土壤的生物修复提供技术支撑。
中图分类号:
李文章, 胡亚茹, 李法云, 王玮, 张继宁, 郭琴. 铁改性生物炭-凹凸棒石载体固定化菌剂制备及其对氯苯污染土壤修复作用[J]. 生态环境学报, 2024, 33(11): 1782-1791.
LI Wenzhang, HU Yaru, LI Fayun, WANG Wei, ZHANG Jining, GUO Qin. Preparation of Iron Modified Biochar-attapulgite Carrier Immobilized Bacterial Agent and Its Remediation for Soil Contaminated by Chlorobenzene[J]. Ecology and Environment, 2024, 33(11): 1782-1791.
名称 | 分子式 | 分子量 | 辛醇-水分配系数 的对数值 | 相对密度 (水꞉1) | 熔点/ ℃ | 沸点/ ℃ |
---|---|---|---|---|---|---|
1-氯苯 | C6H5Cl | 112.56 | 2.84 | 1.10 | -45.2 | 132.2 |
表1 氯苯的理化性质
Table 1 Physicochemical properties of chlorobenzene
名称 | 分子式 | 分子量 | 辛醇-水分配系数 的对数值 | 相对密度 (水꞉1) | 熔点/ ℃ | 沸点/ ℃ |
---|---|---|---|---|---|---|
1-氯苯 | C6H5Cl | 112.56 | 2.84 | 1.10 | -45.2 | 132.2 |
组别 | SYTO 9 | PI |
---|---|---|
Blank | ‒ | ‒ |
SYTO 9 | 2 μL、37 ℃避光培养30 min | ‒ |
SYTO 9+PI | 2 μL、37 ℃避光培养30 min | 4 μL、37 ℃避光培养30 min |
BFAT@W3 | 2 μL、37 ℃避光培养30 min | 4 μL、37 ℃避光培养30 min |
表2 BFAT@W3染色处理
Table 2 Dyeing treatment of BFAT@W3
组别 | SYTO 9 | PI |
---|---|---|
Blank | ‒ | ‒ |
SYTO 9 | 2 μL、37 ℃避光培养30 min | ‒ |
SYTO 9+PI | 2 μL、37 ℃避光培养30 min | 4 μL、37 ℃避光培养30 min |
BFAT@W3 | 2 μL、37 ℃避光培养30 min | 4 μL、37 ℃避光培养30 min |
元素成分 | 相对分子质量 | 质量浓度/(mg·L-1) |
---|---|---|
KNO3 | 101.21 | 1900 |
NH4NO3 | 80.04 | 1650 |
KH2PO4 | 136.09 | 170 |
MgSO4·7H2O | 246.47 | 370 |
CaCl2·2H2O | 147.02 | 440 |
表3 MS 培养基主要成分
Table 3 The main components of MS medium
元素成分 | 相对分子质量 | 质量浓度/(mg·L-1) |
---|---|---|
KNO3 | 101.21 | 1900 |
NH4NO3 | 80.04 | 1650 |
KH2PO4 | 136.09 | 170 |
MgSO4·7H2O | 246.47 | 370 |
CaCl2·2H2O | 147.02 | 440 |
组别 | BFAT@W3 投加比例 | 加入BFAT@W3 质量/g | 氯苯溶液 体积/mL | |
---|---|---|---|---|
CK | 0 | 0 | 50 | |
T1 | 1꞉100 | 0.5 | 50 | |
T2 | 2꞉100 | 1.0 | 50 | |
T3 | 3꞉100 | 1.5 | 50 |
表4 BFAT@W3去除氯苯实验设计
Table 4 Experimental design for the removal of chlorobenzene by BFAT@W3
组别 | BFAT@W3 投加比例 | 加入BFAT@W3 质量/g | 氯苯溶液 体积/mL | |
---|---|---|---|---|
CK | 0 | 0 | 50 | |
T1 | 1꞉100 | 0.5 | 50 | |
T2 | 2꞉100 | 1.0 | 50 | |
T3 | 3꞉100 | 1.5 | 50 |
组别 | 处理方式 |
---|---|
CK | 无 |
BC-Fe-ATP | 铁改性生物炭-凹凸棒石复合载体 |
W3 | 游离菌 |
BFAT@W3 | 复合载体固定化菌剂 |
表5 BFAT@W3修复污染土壤实验设计
Table 5 Experimental design of BFAT@W3 for remediation of contaminated soil
组别 | 处理方式 |
---|---|
CK | 无 |
BC-Fe-ATP | 铁改性生物炭-凹凸棒石复合载体 |
W3 | 游离菌 |
BFAT@W3 | 复合载体固定化菌剂 |
材料类型 | 平均孔径/nm | 比表面积/(m2·g-1) | 总孔体积/(m3·g-1) |
---|---|---|---|
BC | 5.07 | 23.4 | 0.03 |
BC-ATP | 8.43 | 26.5 | 0.04 |
BC-Fe-ATP | 2.30 | 210.7 | 0.13 |
表6 3种载体材料的平均孔径、比表面积和总孔体积
Table 6 Average pore size, specific surface area, and total pore volume for the three carrier materials
材料类型 | 平均孔径/nm | 比表面积/(m2·g-1) | 总孔体积/(m3·g-1) |
---|---|---|---|
BC | 5.07 | 23.4 | 0.03 |
BC-ATP | 8.43 | 26.5 | 0.04 |
BC-Fe-ATP | 2.30 | 210.7 | 0.13 |
处理组 | pH | 电导率/(dS·m-1) | 有机碳质量分数/(g·kg-1) | |||
---|---|---|---|---|---|---|
修复前 | 修复后 | 修复前 | 修复后 | 修复前 | 修复后 | |
CK | 7.76±0.05 | 7.65±0.02 | 2.33±0.02 | 2.396±0.01 | 14.54±0.34 | 15.14±0.49 |
W3 | 7.46±0.04 | 2.10±0.06 | 13.63±0.38 | |||
BC-Fe-ATP | 8.4±0.05 | 2.914±0.01 | 18.26±0.39 | |||
BFAT@W3 | 7.74±0.04 | 2.213±0.04 | 17.90±0.46 |
表7 修复前后土壤pH、电导率和有机碳含量变化
Table 7 Changes of soil pH, electrical conductivity and organic carbon content before and after restoration
处理组 | pH | 电导率/(dS·m-1) | 有机碳质量分数/(g·kg-1) | |||
---|---|---|---|---|---|---|
修复前 | 修复后 | 修复前 | 修复后 | 修复前 | 修复后 | |
CK | 7.76±0.05 | 7.65±0.02 | 2.33±0.02 | 2.396±0.01 | 14.54±0.34 | 15.14±0.49 |
W3 | 7.46±0.04 | 2.10±0.06 | 13.63±0.38 | |||
BC-Fe-ATP | 8.4±0.05 | 2.914±0.01 | 18.26±0.39 | |||
BFAT@W3 | 7.74±0.04 | 2.213±0.04 | 17.90±0.46 |
样品 | Alpha多样性指数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Shannon | Chao | Ace | Simpson | Coverage | Shannoneven | |
CK | 6.00 | 2631.02 | 2723.79 | 0.03 | 0.99 | 0.76 |
W3 | 4.83 | 2314.85 | 2426.33 | 0.08 | 0.99 | 0.63 |
BC-Fe-ATP | 6.09 | 2565.87 | 2656.27 | 0.03 | 0.99 | 0.78 |
BFAT@W3 | 2.07 | 953.49 | 1017.84 | 0.4 | 1.00 | 0.31 |
表8 土壤Alpha多样性指数
Table 8 The Alpha diversity indexes of soils
样品 | Alpha多样性指数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Shannon | Chao | Ace | Simpson | Coverage | Shannoneven | |
CK | 6.00 | 2631.02 | 2723.79 | 0.03 | 0.99 | 0.76 |
W3 | 4.83 | 2314.85 | 2426.33 | 0.08 | 0.99 | 0.63 |
BC-Fe-ATP | 6.09 | 2565.87 | 2656.27 | 0.03 | 0.99 | 0.78 |
BFAT@W3 | 2.07 | 953.49 | 1017.84 | 0.4 | 1.00 | 0.31 |
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