氧化木糖无色杆菌(Achromobacte rxylosoxidans)LAX2对Cu、Pb和Cd复合污染土壤的生物矿化修复研究

我国土壤重金属复合污染较为突出,是目前亟待解决的土壤环境问题之一.本文研究了一株氧化木糖无色杆菌LAX2对Cu、Pb和Cd共存体系的生物矿化作用及其复合污染土壤的矿化修复作用.结果表明,菌株LAX2的发酵液、无菌发酵液和菌体细胞对3种重金属的去除能力大小顺序均为Pb~(2+)Cd~(2+)Cu~(2+).X-射线衍射、扫描电镜、红外光谱和能谱分析表明,3种重金属共存时菌株LAX2发酵液可诱导形成PbCO_3和CdCO_3晶体,而Cu不能单独成矿,混合矿物晶体呈长杆状.菌株LAX2发酵液能够明显降低黑钙土和白浆土中Cu、Pb和Cd的有效态含量,矿化修复30 d后,黑钙土中Cu、Pb、Cd的有效态含量分别降低了48.0%、71.4%、62.8%,白浆土中Cu、Pb、Cd的有效态含量分别降低了42.0%、63.2%、53.6%;碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态含量明显增加,可交换态和有机物结合态含量明显降低.矿化修复后的土壤中重金属的浸出毒性随修复时间的增长而降低,黑钙土中Cu、Pb、Cd浸出量分别降低了90.3%、93.2%、92.8%,白浆土中Cu、Pb、Cd浸出量分别降低了82.5%、86.1%、84.3%.以上结果说明,菌株LAX2可通过碳酸盐矿化作用固定土壤中的复合重金属,且在相同条件下对黑钙土的修复效果好于白浆土.     

关帝山不同海拔土壤碳矿化和微生物特征

以山西省关帝山不同海拔的8个样地土壤为研究对象,分析不同海拔土壤碳氮含量、土壤碳矿化和细菌、真菌、放线菌、固氮菌、硝化细菌和反硝化细菌6类微生物量的变化.结果表明,海拔为2163m时,土壤有机碳和活性碳1（LC1）最高,分别为74.41和6.72g/kg,在海拔2700m总氮含量最高为6.54g/kg.土壤碳矿化累积量和碳矿化速率因海拔的升高而显著增加（P<0.05）,土壤碳矿化累积量和活性碳2（LC2）之间有显著正相关.土壤细菌、放线菌和固氮菌的数量在海拔为1791m时最高,分别为3.41×10⁶、1.90×10⁶和1.21×10⁶个/g,细菌、真菌、放线菌和固氮菌的数量随着海拔的升高而逐渐下降,与海拔之间呈显著负相关;相反,硝化细菌和反硝化细菌数量却逐渐增加,在海拔为2700m时最高,分别为1.37×10⁴和6.02×10³个/g,它们与海拔和总氮之间的关系呈显著正相关（P<0.01）.总之,土壤有机碳、总氮、碳矿化累积量、硝化细菌和反硝化细菌随海拔显著增加,而细菌、真菌、放线菌和固氮菌随海拔的变化呈相反的趋势.     

MnO2催化O3处理准好氧矿化垃圾床渗滤液尾水中难降解有机物

研究利用MnO₂催化O₃氧化技术对准好氧矿化垃圾床渗滤液尾水中难降解有机物进行处理.系统研究了臭氧投量、二氧化锰投量和初始pH值对有机物的去除效果和反应动力学.通过UV-Vis和3D-EEM技术对渗滤液尾水中溶解性有机物分子结构在O₃/MnO₂体系的转化进行了探究,在此基础上,运用XRD、SEM、EDS和XPS对二氧化锰的催化机理进行研究.结果表明：在反应时间为20min,O₃投量为18.92mg/min,初始pH值为3时,添加0.2g/L的MnO₂能显著提升有机污染物的去除能力,较单独O₃作用,其COD、UV₂₅₄、色度CN的去除率分别提升了24.66%、4.95%和12.57%,并且生色团的有机物最易被臭氧氧化降解.紫外-可见光谱和三维荧光显示,O₃/MnO₂体系能使废水中腐殖质降解,其有机物的芳香性程度、分子量和缩合度均降低,体系对苯环类化合物的降解效率提高,最终,废水的可生化性得到显著提高.与此同时,反应前后MnO₂未出现新增价态峰值的变化,Mn（Ⅳ）在催化过程中占主导地位,MnO₂在O₃/MnO₂体系中协同机理为MnO₂催化O₃产生羟基自由基以及MnO₂在体系中转化为水合二氧化锰,改变催化剂表面理化性质与有机物形成复合物,以此促进羟基自由基的选择性,从而提升了难降解有机物的去除效果.     

微生物诱导碳酸盐沉淀及其在固定重金属领域的应用进展

生物矿化已受到化学、物理、生物、材料、医学、生命及环境等多学科的广泛关注,其中,以尿素为底物的MICP（微生物诱导碳酸盐沉淀）技术是生物矿化领域的研究热点之一.在分析MICP过程中的酶解机理和生物大分子在微生物矿化过程中的作用基础上,通过对重金属离子的矿化产物和碳酸盐矿化菌的成矿因素分析,揭示MICP矿化产物的特征及形成条件.碳酸盐矿化菌主要产生脲酶分解尿素,增加土壤CO₃2-饱和度,其代谢产生的胞外聚合物具有多种功能团组合和键能连接,起着调控生物矿化的作用.MICP技术可用于固定土壤和水体中的Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As等重金属,重金属主要以共沉淀的形式被固定,阴阳离子型重金属以类质同象置换方式分别占据方解石中的CO₃2-位和Ca2+位,从而促使污染土壤中的可交换态重金属向碳酸盐结合态转移.但是,MICP技术主要针对减少重金属的生物可利用性,不能满足以全量来计算的现行土壤环境质量标准,且MICP技术在长期有效性、生物安全性和土壤理化性质等方面存在诸多隐患.因此,由试验条件转向实际应用具有一定挑战.建议寻找更稳定的方法以阻止碳酸盐矿物中的重金属溶出,且有必要将开发高效的土著微生物复合菌剂作为未来MICP研究的方向之一.      

生物矿化在重金属污染治理领域的研究进展

生物矿化通过生物代谢影响金属及类金属物质的形态分布,进而改变金属及类金属物质的生物有效性及毒性,在环境污染治理领域成为研究热点.文献计量学结果显示,2007—2017年生物矿化研究以微生物为主要对象,在纳米颗粒物和矿区修复等方面形成热点,并在环境学、生物学、化学和工程学等领域形成交叉学科.结合典型矿化菌与重金属间的矿化关联规律和微界面反应对微生物矿化中重金属的钝化机制进行归纳:①依据矿化菌与矿化产物的关联性对矿化菌进行分类,从碳酸盐、铁锰氧化物、硫化物和磷酸盐4类矿化产物角度汇总了碳酸盐矿化菌、铁锰氧化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌的代表微生物;②矿化菌通过诱导矿化的方式固定重金属离子,其中碳酸盐矿化菌、硫酸盐还原菌及磷酸盐溶解菌可以直接促进金属矿物的形成,铁锰氧化菌生成的矿物间接吸附金属离子;③微生物矿化是由外及内的过程,细胞壁及胞外多聚物具有丰富基团,在矿化初期提供吸附和成核位点,原生质体也可以提供矿化场所,在矿化中后期继续固定游离离子.但是,由于微生物复杂的细胞结构及独特的生理习性,矿化过程的微界面反应机制研究尚显不足,需要利用生物学、矿物学、环境科学等领域的先进技术进一步的探索;同时也应开展宏观生态水平的生物矿化研究,并结合实际问题完善生物矿化在环境污染治理中的理论,为重金属污染地区的治理提供新的思路和技术.      

长期不同施肥对稻田土壤有机碳矿化及激发效应的影响

通过室内模拟培养实验,结合14C同位素标记技术,研究了不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、秸秆还田+化肥(ST)这3种施肥处理下稻田耕层土壤有机碳矿化特征及其对添加外源葡萄糖的响应特征.结果表明,56 d培养实验结束时,CK处理土壤累积矿化率(土壤原有有机碳累积矿化量/土壤总有机碳含量)达到1. 64%,而NPK和ST处理较CK处理显著降低了0. 34%和0. 39%(P 0. 05),表明长期施肥对土壤碳有一定的固持作用.长期不同施肥处理土壤对添加外源葡萄糖的响应有所不同,表现出了不同程度的激发效应.随着培养时间的推移,3种处理土壤碳矿化的激发效应由负激发效应逐渐转为正激发效应. 56 d时,ST和NPK处理土壤的负累积激发效应比CK分别显著提高了22. 07和9. 05倍(P 0. 05).结构方程模型分析表明,土壤NH+4-N和DOC含量主要通过影响土壤MBC和MBN含量间接影响土壤累积激发效应,且NH+4-N对土壤累积激发效应有直接的显著负影响.综上所述,长期施肥降低了稻田土壤原有有机碳累积矿化率,有利于增强稻田土壤碳的固持和积累,秸秆还田加化肥效果更加明显.     

矿化垃圾生物反应器中的细菌多样性分析

为探究准好氧生物矿化垃圾床处理渗滤液过程中的微生物作用机理,研究建立了16S r DNA克隆文库及PCRRFLP技术以研究矿化垃圾反应器的细菌多样性。结果表明:矿化垃圾反应器细菌具有高度多样性,反应器内有36种细菌分别属于13个纲,变形菌纲占绝对优势占70%(其中β-变形占56.5%,γ-变形菌纲占10%),拟杆菌纲、鞘氨醇菌纲,芽孢杆菌纲也具有一定优势;3%的Nitrosomonas属是渗滤液氨氮转化成亚硝酸盐氮的主要功能微生物,由于亚硝酸盐氧化菌不存在或丰度极低,因此造成反应器内亚硝酸盐积累;Thauera属(17%)和Thiobacillus denitrificans属(10%)是反应器内主要优势微生物属,是反应器内反硝化脱氮的功能微生物,由于Thauera属在好氧条件下具有反硝化特性,Thiobacillus denitrificans为严格自养反硝化菌,因此反应器脱氮主要途径为好氧反硝化、自养反硝化。     

碳酸盐矿化菌固结Pb2+的生物矿化

为了研究碳酸盐矿化菌在修复重金属污染过程中的生物矿化作用及其在不同污染体系下对生物矿化的影响,以从南京栖霞山土壤中筛选出的一株耐受Pb的碳酸盐矿化菌株——Bacillus cereus Pb₂₁为研究对象,选用葡萄糖作为底物,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等分析测试手段对其矿化产物进行表征.结果表明:碳酸盐矿化菌可以利用2%葡萄糖底物诱导下的酶化作用将游离态Pb2+转变为稳定态PbCO₃,从而达到修复环境中Pb2+污染的目的.不同污染体系下的生物矿化分析结果显示,随着pH的升高,矿化产物的平均粒径也在变大,由pH为3时的约24 μm增至pH为9时的99 μm.而且,当环境溶液为中性或碱性(pH为7、9)时,矿物生成的速度较快,结晶较好,Pb2+的固结率达到90%以上;而当pH较低(pH为3、5)时,晶体不易成核生长,Pb2+的固结率低于60%.ρ(Pb2+)对Pb2+固结率的影响差异较小,几乎都在90%以上,但是其对矿化产物结构形态的影响较大,随着ρ(Pb2+)的增加,矿化产物的形态越清晰,对微生物矿化固结重金属形成矿化产物也越有利.      

氮、硫输入对河口湿地土壤有机碳矿化的实验研究

通过室内培养实验,研究了氮、硫输入对闽江河口湿地土壤有机碳矿化和土壤理化性质的影响.结果表明:NH_4Cl(N1)、NH_4NO_3(N3)、K_2SO_4(S)和NH_4Cl+K_2SO_4(NS1)处理显著促进了湿地土壤有机碳矿化速率(p0.05),较对照分别提高了76.57%、60.09%、83.20%和52.59%,并且不同处理下土壤有机碳矿化速率均表现为随培养时间的增加而递减.氮、硫输入在不同时间对湿地土壤有机碳矿化的影响不尽一致,在前6 d各处理的促进作用最明显.湿地土壤有机碳累积矿化量在不同处理下均表现为随培养时间逐渐增加,其增长速率在培养初始阶段较快,而后逐渐减慢;不同培养时间有机碳累积矿化量在N1、N3、S和NS1处理下与对照处理间均存在显著差异(p0.05).短期培养结束后,N3、NS1处理显著增加了湿地土壤DOC含量(p0.05);N1、N3、NS1和NH_4NO_3+K_2SO_4(NS3)处理均显著增加了土壤NH_4~+-N含量(p0.05);KNO_3(N2)、N3、NS2和NS3处理均显著增加了土壤NO_3~--N含量(p0.05);S、NS1、NS2和NS3处理均显著增加了土壤SO_4~(2-)含量(p0.05).不同处理下湿地土壤Cl-、pH、EC具有微弱的波动变化特征,但在不同处理组间均不存在显著差异(p0.05).多元回归分析显示,DOC、NH_4~+-N和SO_4~(2-)是氮、硫输入处理下影响闽江河口湿地土壤有机碳矿化速率的主要控制因素.     

矿化垃圾反应床出水对植物发芽与幼苗生长的影响

通过测定植物种子萌发率、萌根数、根长、幼根鲜质量、芽长和幼芽鲜质量这6个指标,考察了矿化垃圾反应床出水对大麦和玉米2种植物的毒性。结果表明,垃圾渗滤液经三级矿化垃圾反应床处理后,其出水中的COD、BOD5、NH4+-N和大肠菌数虽然较低,但仍会对植物的生长产生抑制作用;随着处理时间的延长,抑制作用更显著;同时,不同植物对矿化垃圾反应床出水毒性的敏感程度不同,同一植物的不同部位其敏感程度也不同。