两种生物炭的制备及其对水溶液中四环素去除的影响因素

以中药材三桠苦药渣和玉米秸秆为原料,分别在400、600和800℃下热解制备生物炭,并研究其对水溶液中四环素的去除及其影响因素。利用元素分析、傅里叶红外光谱(FT-IR)、比表面积分析(BET)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对制备的生物炭进行表征;并探究热解温度、生物炭添加量、初始溶液浓度、吸附时间、溶液pH、离子强度、环境温度等因素对生物炭去除水溶液中四环素的影响;通过吸附动力学和等温吸附平衡探究两种原料制备的生物炭对溶液中四环素的吸附行为。结果表明,生物炭对四环素的吸附性能随制备温度的升高而增加,800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)具有最佳吸附性能。生物炭添加量、溶液pH、离子强度、吸附时间对800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)和玉米秸秆生物炭(CSBC800)吸附水溶液中四环素影响较大,吸附时环境温度对吸附的影响大小依赖于抗生素质量浓度。EIBC800和CSBC800对四环素的吸附行为均符合准二级动力学方程(R2分别为0.9540和0.8355),等温吸附符合Freundlich方程(R2分别在0.8991~0.9580和0.9736~0.9980之间),主要吸附过程为化学吸附,且吸附过程均是自发吸热的过程。通过以两种原料所制备的生物炭吸附性能对比,EIBC800吸附抗生素的能力比CSBC800更强,说明中药渣在制备生物炭去除水环境中的抗生素具有较好的应用前景。     

茶渣生物炭制备及其对溶液中四环素的去除特性

以茶渣(tea waste)为对象,在300、 500和700℃限氧条件下热解制备成生物炭(TWBC300、 TWBC500和TWBC700),研究其对溶液中四环素(tetracycline,TC)的去除特性.采用元素分析、比表面积分析仪、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对TWBC300、 TWBC500及TWBC700进行表征;考察生物炭添加量、溶液初始pH、离子类型及强度等因素对四环素去除效果的影响;结合吸附动力学、吸附等温线和仪器表征结果探究生物炭对溶液中四环素的作用机制.结果表明,适合的生物炭投加量为4.0g·L~(-1).溶液初始pH对生物炭去除四环素的影响较小.溶液中阳离子类型对生物炭吸附四环素的抑制作用依次是Mg~(2+)Ca~(2+)K~+Na~+.NH~+_4能略微促进生物炭对四环素的吸附,而铜离子却显著抑制生物炭对四环素的去除.环境温度增加能提升生物炭对四环素的去除效果.拟二级动力学方程和Langmuir模型可以较好地拟合茶渣生物炭吸附四环素的过程.茶渣生物炭对四环素的吸附量依次是TWBC700TWBC500TWBC300.孔隙扩散、氢键和π-π作用是茶渣生物炭去除四环素的主要机制.因此,高温制备的茶渣生物炭可作为废水中四环素去除的良好吸附剂.     

改性多孔生物炭的制备及其对水中四环素的吸附性能研究

以常见的农业废弃物玉米秸秆为原料,以NaHCO_3和三聚氰胺为活化剂,一步碳化活化制备得到了一种改性多孔生物炭,研究了其对模拟四环素(TC)废水的吸附行为,同时采用SEM、XRD、Raman、FTIR、BET和元素分析对材料进行表征分析.探究了热解温度、三聚氰胺添加量、吸附剂投加量、反应时间、初始浓度、环境温度和pH对改性多孔生物炭去除水溶液中TC的影响.相比于原始生物炭(C800),改性后的秸秆生物炭(MPC800-10)对TC拥有更优异的吸附能力,能在短时间内快速高效地去除TC.由表征结果可知,同时添加NaHCO_3和三聚氰胺得到的改性多孔生物炭(MPC800-10)相对于原始生物炭(C800)比表面积更大,孔结构更丰富,芳香性增强,且亲水性和极性也有所增大,表面官能团更丰富,含氧官能团增加.MPC800-10对TC的吸附更符合Pseudo-second-order动力学模型和Freundlich等温吸附模型,且最大吸附量达到347 mg·g~(-1).热力学分析表明MPC800-10对TC的吸附是一个自发、吸热的过程.在酸性和中性条件下MPC800-10对TC都有较好的吸附能力,且具有一定的抗离子干扰能力和良好的再生性能.本研究将为农田废弃物的资源化利用及废水中抗生素的污染治理奠定坚实的基础.     

羊粪生物炭对水体中诺氟沙星的吸附特性

以羊粪为原料分别在350、450、550、650℃条件下制备生物炭,通过元素分析、BET-N_2、电镜扫描及FTIR表征了不同热解温度下羊粪生物炭的结构特征,并采用序批实验研究了pH、生物炭投加量、热解温度、初始浓度等因素对羊粪生物炭吸附水体中诺氟沙星(NOR)的影响及吸附机制.结果表明,随着热解温度的升高,生物炭的比表面积、总孔容、平均孔径增大,芳香性和稳定性也有所提高.羊粪生物炭吸附NOR的最佳初始pH为6.0,吸附在180 min左右达到平衡,采用准二级动力学模型能更好地拟合动力学数据(R~20.96),吸附速率由表面吸附和颗粒内扩散共同控制.等温吸附拟合发现,Langmuir模型能较好地描述NOR在羊粪生物炭上的吸附行为(R~20.93),吸附过程均为有利吸附,且可能与氢键和π-π键作用密切相关,4种热解温度下生物炭的吸附能力大小为:650℃550℃450℃350℃.吸附过程中ΔGθ0、ΔHθ0、ΔSθ0,表明羊粪生物炭对NOR的吸附是自发、吸热及熵增加的过程.650℃和550℃条件下制备的羊粪生物炭可作为水体中NOR的优势吸附材料.     

米糠和麦麸生物炭对水中四环素吸附特性研究

为探索高效利用生物质资源制备生物炭去除水体中的抗生素,以常见的米糠和麦麸为原料,在600℃限氧裂解制备成生物炭。通过各种影响因素的单因素实验和常用的表征方法,探讨其吸附四环素的效果和机理。结果显示2种生物炭均有分层分布的微孔结构和较大的比表面积,并含有羟基、酯、醚和芳香官能团。2种生物炭的吸附最优条件为:生物炭剂量均为4 g/L,四环素初始质量浓度为5 mg/L,溶液pH在5～9之间,环境温度25℃,吸附时间32 h,此时2种生物炭对四环素的去除率分别达到95.07%和90.4%。2种生物炭的等温吸附更符合Langmuir等温吸附方程,它们的吸附动力学更符合伪二阶动力学模型。吸附过程主要受控于化学吸附,是吸热反应。     

不同热解温度生物炭对 Cd(Ⅱ)的吸附特性

以花生壳和中药渣为原料,分别于300、350、400、500、600℃下慢速热解制备生物炭,并表征其物理化学性质.研究不同p H、吸附时间和Cd(Ⅱ)浓度下生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附特征.结果表明,随着热解温度的升高,生物炭的碳化程度增加,比表面积增大,含氧官能团数量减少,π共轭芳香结构更加完备,Ca和Mg等无机元素不断富集,矿物溶解性降低,导致了Cd(Ⅱ)在不同热解温度生物炭上吸附能力及机制的差异.随溶液p H的升高(2.0~6.0),生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附量逐渐增加.吸附过程可分为快吸附和慢吸附两个阶段,吸附速度受膜扩散、颗粒内扩散和沉淀作用、离子交换等过程的控制.随热解温度的升高,快吸附在生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附中所占比例逐渐降低.高温生物炭(≥500℃)中含氧官能团的锐减及难溶晶体矿物的形成降低了其对Cd(Ⅱ)的快吸附速率.沉淀和离子交换可能是低温生物炭(≤400℃)吸附Cd(Ⅱ)的主要机制;高温生物炭(≥500℃)中更完备的π共轭芳香结构增加了Cd-π作用对吸附的贡献,而难溶磷酸盐和碳酸盐的形成则降低了沉淀作用对吸附的贡献.这些研究结果为筛选对Cd(Ⅱ)具有高效去除或固持能力的功能生物炭(designer biochar)提供了重要的理论数据.     

木棉生物炭对水体中Cr(Ⅵ)的吸附特性和机制研究

选取木棉为原材料,在不同温度下制备成生物炭.实验考察了溶液初始pH、不同热解温度及生物炭投加量对吸附效果的影响,并利用吸附动力学、吸附等温线及SEM-EDS、FTIR、XPS、Zeta电位等手段研究木棉生物炭对水溶液Cr（Ⅵ）的吸附特性及吸附机理.结果表明,热解温度为400℃,固液比为2∶1,pH=2.0时,木棉生物炭对水溶液中Cr（Ⅵ）的吸附效果最好.吸附动力学和吸附等温线结果显示,颗粒内扩散方程和Langmuir模型更能较好地拟合吸附过程.由Langmuir模型可以看出,400、550、700℃热解温度下制备的木棉生物炭对水溶液中Cr（Ⅵ）的最大吸附量分别为25.325、20.602、19.616 mg·g^-1.FTIR和Zeta结果表明,木棉生物炭主要通过官能团络合和静电吸附作用去除水溶液中Cr（Ⅵ）.XPS分析结果显示,生物炭表面大部分Cr（Ⅵ）被还原为Cr（Ⅲ）,其中,Cr（Ⅵ）占比为26.6%,Cr（Ⅲ）占比为73.4%.研究表明,木棉生物炭作为去除水溶液中Cr（Ⅵ）的吸附剂具有较大的应用潜力.     

富含钙/铝的污泥生物炭复合材料对水溶液中磷酸盐的吸附机制

剩余污泥富含有机物,同时也含有重金属和病原体等有害物质.以水铝钙石和剩余污泥为原料,通过共混凝和共热解技术制备生物炭以降低污泥中重金属溶出风险,并对其磷酸盐吸附性能开展研究.结果表明,污泥生物炭中的Zn、Cu、Cd和Ni浸出量随水铝钙石投加量的增加而减少.水铝钙石与剩余污泥质量比为1∶1时,共热解制备得到的富含钙/铝污泥生物炭复合材料(1∶1HB800)重金属浸出风险最低,并对磷酸盐表现出较高的吸附能力,其过程可用Langmuir吸附等温线(R²=0.93)拟合,在25℃条件下对磷的最大吸附容量为51.38 mg·g^-1.1∶1HB800对高浓度磷的吸附过程符合拟二阶动力学模型,吸附速率由表面吸附和颗粒内扩散共同控制.相较于中性溶液,1∶1HB800对酸性和碱性水溶液中的磷酸盐具有更好的去除效果,这与1∶1HB800中钙/铝在不同pH条件下的浸出量及铝元素的存在形式有关.FTIR、XRD、SEM、零点电位和钙/铝离子的浸出实验分析结果表明,1∶1HB800对磷的吸附机制主要是共沉淀(Ca²⁺/Al³⁺     

镁改性生物炭制备条件对其氮、磷去除性能的影响

以林木废弃物为原料,通过干式热解和湿式热解,制备镁改性生物炭,并探索其对污水中氮、磷的同步去除性能。研究表明:干式混合热解和湿式浸渍热解制备的生物炭吸附效果无显著差异;MgCl_2浸渍制备改性是生物炭制备的适宜方法,浸渍浓度、热解温度、热解速度及生物炭粒径均会对吸附效果有影响;最优条件下,镁改性生物炭对氮和磷的吸附量分别为35.28,110.29 mg/g。除了吸附作用,镁改性生物炭表面形成了鸟粪石沉淀(MgNH_4PO_4·6H_2O),可作为一种缓释型炭基氮磷复合肥。     

磁性生物炭对水体中对硝基苯酚的吸附特性

为了制备同时具备磁分离和优良吸附性能的环境友好吸附材料,以棉花秸秆为生物质原料制备生物炭（CSBC）,采用共沉淀法制得磁性棉花秸秆生物炭（MCSBC）.通过元素分析、SEM、XRD、XPS、FTIR和VSM等对MCSBC进行表征,研究了CSBC和MCSBC对水中对硝基苯酚（PNP）的吸附特性.结果表明,溶液pH值对CSBC和MCSBC吸附PNP的影响较大,在酸性条件下的吸附量更大.CSBC和MCSBC对PNP的吸附动力学过程可被准二级动力学模型很好地描述,吸附过程包括液膜扩散和颗粒内扩散两个阶段.Langmuir、Freundlich和Sips模型都可以很好地描述PNP在CSBC和MCSBC上的吸附行为,最大吸附量分别为44.54和48.94mg/g,MCSBC相较于CSBC对PNP的吸附具有更好的效果.热力学研究结果表明,CSBC和MCSBC对PNP的吸附过程为熵增加的自发吸热过程.再生试验结果表明,经6次吸附-解吸循环后,MCSBC对PNP的吸附容量仍能达到初始吸附量的82%.     

Density and nutritional condition of carabid beetles in wildflower areas of different age

Density and nutritional condition of the five carabid beetle species Agonum mülleri, Anchomenus dorsalis, Anisodactylus binotatus, Pterostichus vernalis and Poecilus cupreus was studied. Carabids were caught in sixteen 1–4-year-old wildflower areas, identified and counted, their nutritional condition was calculated and calculations were related to habitat parameters (i.e. wildflower area age, vegetation cover, soil water content, habitat size, surrounding landscape composition) and sex.Whereas the number of Anisodactylus binotatus caught responded positively to succession in wildflower areas, A. mülleri numbers tended to decrease and the other three species were unaffected. In a stepwise multiple regression species affiliation, sex and age of wildflower area explained together 98.5% of the variance in the pooled nutritional condition of Anchomenus dorsalis, Anisodactylus binotatus, A. mülleri and P. vernalis. Age of wildflower area alone explained 61.7% of the variance and age increased the nutritional condition of carabids. Correspondingly, nutritional condition of Poecilus cupreus was positively correlated with the age of wildflower area. Overall, the nutritional condition of the carabid assemblage studied increased from the first to the second year and then remained stable. To keep the proportion of 1-year-old wildflower areas low, wildflower areas should therefore be maintained for several years to improve the life conditions of carabid beetles and to enhance their beneficial effects in agroecosystems.     

Interspecific utilisation of wax in comb building by honeybees

Beeswaxes of honeybee species share some homologous neutral lipids; but species-specific differences remain. We analysed behavioural variation for wax choice in honeybees, calculated the Euclidean distances for different beeswaxes and assessed the relationship of Euclidean distances to wax choice. We tested the beeswaxes of Apis mellifera capensis, Apis florea, Apis cerana and Apis dorsata and the plant and mineral waxes Japan, candelilla, bayberry and ozokerite as sheets placed in colonies of A. m. capensis, A. florea and A. cerana. A. m. capensis accepted the four beeswaxes but removed Japan and bayberry wax and ignored candelilla and ozokerite. A. cerana colonies accepted the wax of A. cerana, A. florea and A. dorsata but rejected or ignored that of A. m. capensis, the plant and mineral waxes. A. florea colonies accepted A. cerana, A. dorsata and A. florea wax but rejected that of A. m. capensis. The Euclidean distances for the beeswaxes are consistent with currently prevailing phylogenies for Apis. Despite post-speciation chemical differences in the beeswaxes, they remain largely acceptable interspecifically while the plant and mineral waxes are not chemically close enough to beeswax for their acceptance.     

生物炭对华北农田土壤N2O通量及相关功能基因丰度的影响

为了探寻施用生物炭对农田土壤氧化亚氮(N_2O)的减排效果和机制,于2015年3月27日至6月5日,利用盆栽实验研究了施用生物炭(CK,C1:5%,C2:10%,C3:15%,C4:30%)(质量分数)对华北农田土壤N_2O通量、氨单加氧酶(amo A)、亚硝酸盐还原酶(nir S、nir K)以及氧化亚氮还原酶(nos Z)基因丰度的影响.结果表明:(1)施用低量生物炭(5%)能够促进N_2O排放,施用中、高量生物炭可以起到抑制N_2O排放的效果,且生物炭用量为15%时减排效果最佳.(2)实验初期,施用生物炭对土壤硝化反硝化基因丰度影响较大,AOA和nir S基因丰度与生物炭施用量呈极显著正相关关系,nir K基因丰度与生物炭施用量呈显著正相关关系,AOB和nos Z基因丰度与生物炭施用量呈显著负相关关系;实验末期,AOA丰度与生物炭施用量表现为显著负相关关系,AOB丰度与生物炭施用量表现为显著正相关关系.(3)实验初期,N_2O排放通量与AOA、nir S基因呈现极显著的负相关关系,说明在土壤含水量较高的条件下,N_2O的产生受AOA、nir S基因丰度控制调节;实验末期,N_2O排放通量与nos Z基因呈现极显著正相关关系,说明在土壤含水量较低的条件下,N_2O的产生受nos Z基因丰度控制调节.本研究结果表明施用生物炭能够增加硝化反硝化功能基因丰度,并降低N_2O的排放,为华北农田合理施用生物炭提供了一定的理论依据.     

凤眼莲对富营养化水体中氨氧化和反硝化微生物的影响

凤眼莲近年来广泛应用于富营养化淡水湖泊的生态修复中,但其对微生物的相互作用和对水体中氮素的去除鲜有报道.本研究在氮素去除过程中对比凤眼莲和细菌的相对重要性,并且检测浮游植物对硝化细菌和反硝化细菌相对丰度及多样性的影响.水体中氮素的去除率以及硝化和反硝化作用的潜在能力使用定量聚合酶链式反应(qPCRs)对硝化作用基因amoA和反硝化作用基因nirS/K进行检测,从微观角度研究富营养化水体中是否会受到凤眼莲存在的影响.结果表明,TN的减少在70d的实验周期中所有处理组表现较为一致,但凤眼莲存在的实验组在24h内TN和NH_4~+-N的去除上有显著的降低,并且amoA的丰度有所增加,nirS/K的丰度有所降低.T-RFLP结果表明亚硝化单胞菌在氨氧化微生物中占优势.凤眼莲的种植可以实现富营养化水体中NH_4~+-N的快速有效减少,且微生物的相互作用可以充分利用到淡水生态系统的修复中.     

砗磲生长的影响因素及其人工培养研究进展

砗磲是世界上最大的双壳贝类,与虫黄藻共生,生长过程中受到多种自然环境因素的影响。近年来,由于人类的过度捕捞,砗磲数量骤减,对砗磲进行人工培养、繁育、放流,成为砗磲保护的重要工作之一。此外,砗磲碳酸盐壳体还是一种良好的高分辨率古气候研究载体,但其壳体地球化学指标的环境指示意义还存在较大争议,实验室培养也是探讨砗磲地球化学指标环境指示意义的有效途径之一。基于上述原因,近年来有不少研究开展了砗磲的培养试验,通过改变培养条件分析各种环境因子对砗磲生长及壳体地球化学特征的影响。本文就砗磲的培养方法、人工培养条件进行简要综述,并从温度、光照、盐度、pCO₂、营养盐、金属离子等多个方面对人工培养条件下,砗磲生长的影响因素及其生理适应性机制进行总结分析,为后续砗磲的培养保护和地球化学研究提供参考。     

松属植物地质历史及生物地理演变

松属（Pinus L.）约113种,是松科现代属中最原始的类群。松属植物种类丰富且研究领域广泛,对其已经积累的资料数据进行系统梳理总结十分必要。本文通过总结国内外松属大化石资料,结合分子系统发育、地质背景和地理隔离事件讨论了其地史分布及植物地理学意义;该属化石在早白垩世至全新世地层中均有记录。化石证据表明松属很可能在早白垩世（之前）起源于西欧地区,从这一起源地通过北大西洋陆桥扩散到北美洲东部,而东亚的类群可能是从北美洲西部经过白令陆桥散布的。在晚白垩世分化出双维管束松亚属Subgenus Pinus L.及单维管束松亚属Subgenus Strobus (D. Don) Lemmon,前者更接近祖先类群。古新世由于全球显著增温以及白垩纪末期大灭绝等地质事件的影响使松属数量急剧减少,在晚始新世至中新世时期随着气温转凉转冷再次分化扩散,中新世达到其发展高峰且分布面貌与现代类群近似。松属多样性时空历史可能和新生代气候变迁及晚新生代构造运动塑造的山地隆升等环境变化紧密相关。     

左氧氟沙星对土壤中汞形态微生物转化的影响

为阐明左氧氟沙星（Levofloxacin）对土壤中汞形态转化的影响效应,探究了左氧氟沙星对2种能够影响汞形态转化的细菌—枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis subsp.spizizenii）和洋葱假单胞菌（Pseudomonas cepacian）的抑菌效果;并通过室内土培试验阐明了添加左氧氟沙星对土壤汞赋存形态的作用机制.结果表明,左氧氟沙星对2种细菌都有较好的抑菌效果,在添加0.1 mg·mL^-1左氧氟沙星时,枯草芽孢杆菌和洋葱假单胞菌的菌群数量都有显著降低.土壤培养实验中,接种枯草芽孢杆菌处理土壤中的Hg²⁺含量显著高于对照组（p<0.05）,而洋葱假单胞菌则导致土壤中Hg⁰生成量明显升高（p<0.05）.左氧氟沙星的添加减弱了土壤细菌对Hg²⁺和Hg⁰的转化作用;这主要归因于左氧氟沙星可以有效抑制土壤中菌群的数量及过氧化氢酶和汞还原酶的活性,从而导致2种菌对Hg的氧化和还原能力下降,降低了土壤中Hg²⁺和Hg⁰的含量.本研究对探究汞与抗生素复合污染土壤中汞的形态变化及其环境归趋具有一定的借鉴意义.     

鱼腥藻在满江红-鱼腥藻共生体系去除水中铀时的作用

通过分离有藻满江红中的鱼腥藻,获得无藻满江红和鱼腥藻.采用水培试验的方法分别研究了无藻满江红、有藻满江红和鱼腥藻对水中铀的去除行为,并采用红外光谱技术分析了它们富集铀前后化学基团的变化.结果表明,对于初始浓度分别为2.5和5.0 mg·L-1的铀溶液,在有藻满江红的作用下,分别经过27和36 d生物富集后浓度能降低至GB 23727-2009规定的0.05 mg·L-1排放标准以下,而在无藻满江红和鱼腥藻的作用下,铀浓度无法达到排放标准.相对于无藻满江红,鱼腥藻提高了有藻满江红对水中铀的富集量、富集系数及对铀的抗胁迫能力,从而提高了有藻满江红对水中铀的去除效率.红外分析表明,在富集铀后,与无藻满江红相比,有藻满江红体内出现了芳环和醇类或苷类化合物,而这些新的物质是鱼腥藻在富集铀的过程中产生的,其可能促进了有藻满江红对铀的富集.     

化感物质对小球藻抗氧化体系酶活性的影响

利用水生植物产生的化感物质抑制有害藻类是1种藻类控制新技术.研究了选择性抑藻化感物质EMA对蛋白核小球藻和普通小球藻抗氧化酶体系活性的影响.结果显示,化感物质浓度为0.25 mg/L时,2种藻类的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性都高于对照组.但随着化感物质浓度的升高,蛋白核小球藻3种酶活性都逐渐下降,当化感物质浓度为4 mg/L时,SOD活性为0;而普通小球藻的酶活性随着化感物质浓度升高持续升高,都达到对照组的3～4倍.     

甲烷丝菌混养促进螺旋藻自发酵产氢

采用只消耗乙酸盐而不消耗氢气的甲烷丝菌与螺旋藻混合培养,以提高螺旋藻利用自身多糖在自身氢酶作用下暗发酵产氢量.通过培养基调控提高了螺旋藻生长富集的总糖产量,当Na Cl浓度由239 mmol·L~(-1)增加到739 mmol·L~(-1),螺旋藻总糖产量提高了107.7%,达到0.54g·L~(-1).螺旋藻在黑暗厌氧条件下加入甲烷丝菌混养后的自发酵产氢量提高了33.8%,达到43.8 m L·g-1;液相主要代谢产物乙酸盐则提高了69.2%,达到1639.1μmol·g-1.同时,螺旋藻加入甲烷丝菌混养后自发酵过程的能量转换效率由6.7%提高到11.6%.甲烷丝菌通过消耗乙酸盐促进了螺旋藻自发酵产氢的乙酸途径反应正向进行,从而提高了氢气产量和能量转换效率.