水稻土中氮素对微生物固砷的扰动及效应机制

我国是世界上最大的水稻生产国,水稻生产在粮食安全方面起着重要的作用.现阶段,我国稻田土壤的砷污染问题表现突出.稻田长期处于淹水的缺氧环境下,微生物在厌氧条件下介导的砷形态转化速率和程度均强于化学过程.理解和认知微生物对稻田土壤中砷固定的关键过程及作用机制将为开展稻田砷污染的有效治理提供理论依据.在综合分析了砷在稻田土壤中的迁移及其影响因素的基础上,主要综述了涉及淹水稻田土壤中微生物参与As （Ⅲ）固定两条重要途径：Fe （Ⅱ）氧化成矿耦合As （Ⅲ）固定（间接过程）与As （Ⅲ）直接氧化固定（直接过程）.同时,就氮素在土壤的形态及分配对微生物参与砷固定的响应过程也展开系统性论述.其中,总结了参与微生物砷固定与氮素转化的关键基因表达及代谢机制;最后,归纳了砷污染稻田微生物修复技术的相关研究进展,并提出了初步展望.     

巯基化凹凸棒石对水稻土中镉钝化效应的动态变化特征

为了探究巯基化凹凸棒石作为钝化剂在土壤-水稻体系中对镉的钝化效应的动态特征规律,选取湖南和四川典型镉污染水稻土,分别以两个品种水稻为模式作物开展盆栽试验,在水稻生育期代表性阶段开展土壤-植物协同采样,并结合土壤培养实验,重点关注土壤理化性质和水稻各组织镉含量变化.研究发现,巯基化凹凸棒石以剂量1 mg·kg^-1和2 mg·kg^-1施用后,水稻分蘖期根茎叶镉含量明显降低40%以上,土壤有效态镉含量减少35.80%~55.08%.该快速显著的钝化效应,在水稻扬花期和成熟期维持稳定,收获时糙米镉含量最大降幅分别为76.65%和64.67%.巯基化凹凸棒石对土壤有效态镉的钝化过程符合二级动力学方程,钝化速率较快,高剂量组3 d可达到反应平衡.巯基化凹凸棒石对土壤pH无明显影响,可略微提高土壤氧化还原电位,增加土壤总硫和有效态硫含量,同时提升分蘖期水稻根系与根系表面铁和硫元素含量,降低分蘖期水稻根系对镉的生物富集系数和从根向茎的转运系数.综合土壤有效态镉含量和水稻吸收累积镉含量这两个核心因素,巯基化凹凸棒石在水稻-土壤体系中对镉具有快速且稳定的钝化效应.     

铁基生物炭钝化Cd大田试验研究

近年来,稻田Cd污染引起的环境及健康问题日益突出。应用钝化技术对土壤中有效性Cd进行钝化对稻田生态系统中Cd的生物地球化学循环具有重要的理论和实际意义。在广东省韶关市仁化县董塘镇红星村一受Cd污染的稻田上,设置大田试验,研究铁基生物炭对Cd在大田土壤-水稻系统迁移的影响以及对作物产量的影响。试验共设6个处理:(1)空白对照;(2)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2的普通生物炭;(3)每一季水稻插秧前,一次性施加75 kg·hm^-2的零价铁(Fe0);(4)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=1%的铁基生物炭(ω(Fe)=1%in Fe-Biochar);(5)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=3%的铁基生物炭(ω(Fe)=3%in Fe-Biochar);(6)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=5%的铁基生物炭(ω(Fe)=5%in Fe-Biochar)。结果表明:(1)施用生物炭、铁粉和铁基生物炭土壤钝化调理剂可以增加水稻产量,显著降低籽粒重金属Cd含量;(2)施用铁基生物炭可以显著增加水稻根表铁膜Fe含量,同时显著增加水稻根表铁膜固定的Cd量,抑制重金属Cd向籽粒的运输累积。综合考虑施用成本和钝化效果,对于Cd污染稻田,建议施用1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=3%的铁基生物炭材料。     

垃圾焚烧飞灰磷酸洗涤对重金属的固定效应研究

重金属的固定是垃圾焚烧飞灰资源化技术的核心问题.通过系统试验,研究了垃圾焚烧飞灰磷酸洗涤对重金属溶出、后续烧结过程中重金属挥发,以及重金属化学形态变迁的影响.试验结果表明,磷酸洗涤在有效洗脱飞灰中氯盐的情况下,能够显著减少洗涤过程中重金属的溶出,抑制烧结过程中重金属的挥发,从而避免了飞灰处理过程的二次污染;同时,磷酸洗涤使飞灰中的重金属在烧结前后均向更为稳定的化学形态转化,烧结产物中重金属主要以残留态存在,从而提高了烧结产物资源化利用的长期环境安全性.     

Immobilization study of biosorption of heavy metal ions onto activated sludge

Activated sludge was immobilized into Ca-alginate beads via entrapment, and biosorption of three heavy metal ions, copper(Ⅱ), zinc(Ⅱ), and chromimum(Ⅱ), from aqueous solution in the concentration range of 10-100 mg/L was studied by using both entrapped activated sludge and inactivated free biomass at pH≤5. A biphasic metal adsorption pattern was observed in all immobilized biomass experiments. The biosorption of metal ions by the biosorbents increased with the initial concentration increased in the medium. The adsorption rate of immobilized pre-treated activated sludge(PAS) was much lower than that of free PAS due to the increase in mass transfer resistance resulting from the polymeric matrix. Biosorption equilibrium of beads was established in about 20 h and the adsorbed heavy metal ions did not change further with time. No significant effect of temperature was observed in the test for free biomass while immobilized PAS appeared to be strong temperature dependent in the test range of 10 and 40℃.Besides, the content of activated sludge in the calcium alginate bead has an influence on the uptake of heavy metals. The sorption equilibrium was well modeled by Langmuir isotherm, implying monomolecular adsorption mechanism. Carboxyl group in cell wall played an important role in surface adsorption of heavy metal ions on PAS.     

生物炭固定化菌复合材料在环境修复中的应用研究进展

随着工业和农业的快速发展,环境污染日益严重,对生态安全和人体健康形成严重威胁.微生物修复是一种低价、绿色和易操作的技术,但微生物对高浓度污染物耐性低,造成修复效果差和周期长.由于生物炭的孔隙率高、官能团丰富和比表面积大,被认为是一种良好的吸附剂和固定化载体.通过微生物固定化技术将菌群定殖于生物炭上而制备生物炭固定化菌复合材料,结合了二者优势又克服菌群的缺点,展现了巨大的应用前景.通过系统论述生物炭固定化菌复合材料的制备方法和特征,评价生物炭固定化菌复合材料在环境修复中的效能,讨论环境因素对生物炭固定化菌复合材料去除水中污染物和修复污染土壤的效果影响,阐明生物炭固定化菌复合材料对废水处理与土壤修复的作用机制.     

固定化多环芳烃降解酶——谷胱甘肽S-转移酶的研究

以自制壳聚糖为载体,戊二醛为交联剂固定谷胱甘肽S-转移酶,研究了交联剂浓度、酶用量、pH值、温度及时间等因素对固定化酶活性的影响.结果表明,戊二醛浓度0.5%,pH7.0,温度20℃,时间12h以及液态酶与壳聚糖凝胶1:1配比是谷胱甘肽S-转移酶最佳固定化条件,固定化酶催化菲降解的最佳反应时间是9h.另外,固定化酶与游离酶相比,稳定性和可操作性都有较大的提高.     

固定化酶酸化/UASB两相厌氧有机酸代谢特征

以固定化酶酸化相和UASB产甲烷相为两相厌氧系统进行连续流实验,研究了酸化相和产甲烷相中的有机酸和乙醇的变化特征、变化速率,挥发性有机酸组成,发酵类型以及对COD去除率的影响.结果表明:酸化相的酸化率为28.2%,水解产物组成中乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,其中乙醇占44.8%,乙酸占38.4%,丙酸为6.9%,丁酸为9.8%,为乙醇型发酵类型.在产甲烷相中乙醇被去除99.8%,乙酸为92.0%,丙酸为59.1%,丁酸为46.2%,呈乙醇>乙酸>丙酸>丁酸;比较有机酸和乙醇的去除速率呈乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,其中乙醇在产甲烷相中去除速率最快为0.21h^-1.系统运行稳定,COD去除率达到90%以上,其中对COD去除贡献率顺序为乙醇>乙酸>丁酸>丙酸,     

Cadmium removal mechanistic comparison of three Fe-based nanomaterials: Water-chemistry and roles of Fe dissolution

● nZVI, S-nZVI, and nFeS were systematically compared for Cd(II) removal. ● Cd(II) removal by nZVI involved coprecipitation, complexation, and reduction. ● The predominant reaction for Cd(II) removal by S-nZVI and nFeS was replacement. ● A simple pseudo-second-order kinetic can adequately fit Fe(II) dissolution. Cadmium (Cd) is a common toxic heavy metal in the environment. Taking Cd(II) as a target contaminant, we systematically compared the performances of three Fe-based nanomaterials (nano zero valent iron, nZVI; sulfidated nZVI, S-nZVI; and nano FeS, nFeS) for Cd immobilization under anaerobic conditions. Effects of nanomaterials doses, initial pH, co-existing ions, and humic acid (HA) were examined. Under identical conditions, at varied doses or initial pH, Cd(II) removal by three materials followed the order of S-nZVI > nFeS > nZVI. At pH 6, the Cd(II) removal within 24 hours for S-nZVI, nFeS, and nZVI (dose of 20 mg/L) were 93.50%, 89.12% and 4.10%, respectively. The fast initial reaction rate of nZVI did not lead to a high removal capacity. The Cd removal was slightly impacted or even improved with co-existing ions (at 50 mg/L or 200 mg/L) or HA (at 2 mg/L or 20 mg/L). Characterization results revealed that nZVI immobilized Cd through coprecipitation, surface complexation, and reduction, whereas the mechanisms for sulfidated materials involved replacement, coprecipitation, and surface complexation, with replacement as the predominant reaction. A strong linear correlation between Cd(II) removal and Fe(II) dissolution was observed, and we proposed a novel pseudo-second-order kinetic model to simulate Fe(II) dissolution.     

土壤对钻井废水中有机污染物吸附作用研究

分析了钻井废水中有机污染物在土壤中吸附的机理,对吸附量和有机负荷的关系进行了阐述;针对钻井废水有机污染物在土壤中的吸附和解吸过程进行了实验研究。实验表明:钻井废水中有机污染物在土壤中的吸附量与土壤有机负荷的关系符合初始质量等温线;土壤中天然有机质含量越高,对钻井废水中有机污染物吸附能力越强;土壤对钻井废水中有机污染物具有一定的持久吸附作用;天然有机质含量越高的土壤对钻井废水中有机污染物的持久吸附能力越强。