活性炭负载铁氧化物协同解磷菌对Cd、Cu污染土壤的修复

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化学钝化剂联合微生物在Cd、Cu污染土壤修复和安全利用方面发挥着重要作用,具有环境友好、易操作、见效快和稳定性好的优点。本论文选择铁氧化物、活性炭为化学钝化剂,解磷菌为供试微生物联合修复典型Cd、Cu复合污染水稻土,通过一次平衡吸附实验、土壤培养实验、黑麦草盆栽实验研究阻控剂对重金属生物活性的影响,在此基础上辅以现代分析仪器的微观表征,阐明重金属形态迁转规律及其与阻控剂的机制。主要研究结果如下:采用FeCl3和NH4HCO3制备铁氧化物(标记为T),比较铁氧化物(T)、活性炭(标记为C)及负载材料(标记为C-T)对土壤Cd、Cu的吸附/固持效果。一次平衡吸附实验的结果表明,C-T处理固持效果显著,并且随着钝化剂用量增加而增加,当用量为4%时对Cd、Cu固持率分别为95%、32%。BET分析结果表明,负载合成材料的比表面积为549.2 m~2/g,较T增加204.01%,因此对Cd、Cu的固持能力增加。采集Cd、Cu污染水稻土,用Pikovskaya固体培养基通过平板筛选法培养分离筛选1株具有高重金属抗性的解磷微生物(标记为B1),鉴定结果为新鞘氨醇菌属解磷菌(Novosphingobium pokkalii strain L3E4)。溶磷实验(7d)的结果表明,其对磷酸钙、磷酸铁的最大溶磷量分别是397 mg/L和120.68mg/L。采用T、C和B1及其全正交组配(施用量4%土)对污染土壤Cd、Cu进行阻控实验。阻控后土壤Cd、Cu形态迁移转化规律的结果表明:3种钝化材料单独施用或组合配施均可显著降低土壤中Cd、Cu活性。其中对Cd钝化效果依次为C-T+B1>T+B1>T>C-T>C+B1>B1>C;对Cu效果为C-T+B1>C-T>C+B1>T+B1>T>C>B1。铁氧化物、活性炭和解磷菌对可交换及碳酸盐结合态Cd向残渣态转化、活性炭和解磷菌对Cu向有机结合态转化、铁氧化物和活性炭对Cu向残渣态转化的影响分别具有协同交互作用。高温模拟老化后C-T处理残渣态含量Cd、Cu较对照组(标记为CK)仍增加81.82%、56.64%,具有长期固定重金属的能力。铁氧化物和活性炭施入后分别增加土壤p H至5.51、6.12,解磷菌施入后降低土壤p H降至4.96。铁氧化物降低土壤中速效磷含量90.97%,活性炭和解磷菌对土壤有机质含量、速效磷含量分别提高184.75%、53.39%。深入分析土壤胶体中重金属形态特征表明,Cd在土壤中的晶质氧化铁结合态含量与胶体中非晶质结合态的含量呈显著正相关关系(r=0.757*,n=8)、与胶体中的残渣态呈显著负相关关系(r=-0.742*,n=8);Cu在胶体中的非晶质氧化铁结合态含量与土壤中的可交换及碳酸盐结合态含量呈显著正相关关系(r=0.805*,n=8)、与残渣态含量呈显著负相关关系(r=-0.725*,n=8),证实了铁氧化物在降低Cu活性方面相较于Cd更加具有优势。采用黑麦草为指示生物研究活性炭负载铁氧化物与解磷菌对土壤重金属钝化修复效果,其中解磷菌包括土著培养的B1和贫磷土壤培养的B2。三种钝化处理方式对黑麦草生长影响的整体促进效果依次为C-T+B1>C-T+B2>C-T。两种解磷菌中,B1相较于B2对Cd、Cu在植物体内迁移转运的阻控效果更好,C-T+B1处理比C-T+B2处理的黑麦草地下和地上部分Cd、Cu含量分别减少14.75%和76.19%、25.58%和42.45%。
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