药渣生物炭制备及其对四环素环境行为的影响研究

发布时间：2020-04-09 14:10

【摘要】：生物炭物理化学性能优异,常用于环境中污染物的去除与环境修复。本文研究以三桠苦药渣为原材料,四环素为目标污染物,通过水溶液吸附试验与常见的玉米秸秆生物炭对比,评估其制备生物炭吸附去除溶液中四环素的能力。并将三桠苦药渣与亚硫酸镁废渣通过简单混合共热解方式制备镁/生物炭复合材料,评估其吸附去除四环素的能力。最后,通过镁/生物炭复合材料修复受四环素污染土壤的盆栽试验(根据0、2%、5%的添加量及是否种植空心菜(Ipomoea aquatic Forsk),将各实验组分别命名为T0、T2、T5、PT0、PT2、PT5),系统性探究镁/生物炭复合材料对土壤中四环素去除、酶(脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶)活性、抗生素抗性基因(ARGs)以及细菌群落结构的影响。本研究中所探究的与四环素相关的抗性基因,主要包括外排泵基因tetA、tetC、tetG、tetE,核糖体保护基因tetM和酶修饰基因tetX。主要结果如下:(1)800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)比玉米秸秆生物炭(CSBC800)具有更大的比表面积、极性和亲水性。EIBC800和CSBC800对溶液中四环素的吸附受溶液pH、生物炭添加量、初始抗生素浓度、离子强度、环境温度等因素影响。吸附动力学过程均符合准二级动力学模型(R~2分别为0.9540、0.8355),等温吸附过程符合Freundlich模型(R~2分别在0.8991～0.9579和0.9736～0.9940之间),吸附速率主要受化学反应过程控制。EIBC800和CSBC800对溶液中四环素的吸附过程均是自发的吸热过程。综合看来,EIBC800对溶液中四环素的吸附去除效果优于CSBC800。(2)600℃制备的镁/三桠苦药渣生物炭复合材料(MBC)比纯三桠苦药渣生物炭(BC)具有更大的比表面积、孔体积及孔径,极性、亲水性更强。随四环素溶液pH值升高,MBC吸附能力略有降低,BC吸附能力逐渐增大,但在pH=11.0时仍小于MBC的吸附能力。随溶液中离子强度增大,BC和MBC的吸附能力均降低。BC和MBC的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型(R~2分别为0.9903、0.9598)。BC的等温吸附过程符合Henry线性模型(R~2在0.9503～0.9967之间),MBC的等温吸附过程则符合Frendlich模型(R~2在0.8907～0.9585之间)。BC和MBC对溶液中四环素的吸附均为自发、放热的过程,升温有利于反应进行。总体而言,MBC对溶液中四环素的吸附能力高于BC。(3)MBC可促进土壤中四环素去除,且四环素残留量随MBC添加量增大而减少。MBC施加量为0、2%的实验组土壤中四环素降解符合一级降解动力学方程,T0、T2、PT0、PT2的半衰期分别为83.51 d、16.50 d、76.17 d、21.66 d。施加5%MBC的实验组四环素降解符合二级降解动力学方程。本研究中,相比未施加MBC的实验组,施加2%MBC促进空心菜生长,而施加5%MBC则因土壤碱性过高使空心菜无法成活。土壤脲酶活性与MBC施加量有关,施加2%时有较强的激活作用,施加5%时土壤碱性过高,脲酶活性受到一定程度抑制。土壤蔗糖酶活性随MBC施加量增大而降低,过氧化氢酶活性与MBC及其施加量、是否种植空心菜均有关。统计分析结果表明,施加MBC显著影响土壤中脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性(P0.05),是否种植空心菜对这三种酶活性影响不显著(P0.05)。(4)根据荧光定量PCR对盆栽试验结束时土壤中四环素抗性基因(tetC、tetG、tetE、tetA、tetM、tetX)的定量检测结果,tetG的绝对丰度在各实验组土壤中最高,tetM、tetA、tetX次之,tetC和tetE的绝对丰度最低。施加MBC后土壤中tetG绝对丰度大幅提升,而tetC绝对丰度随MBC施加略有提升;tetA和tetX绝对丰度随MBC施加量增加而增大;对于未种植空心菜的实验组,随MBC施加量增大,tetM绝对丰度呈现先升高后降低的趋势,tetE绝对丰度则逐渐降低;在种植空心菜的实验组中,tetM和tetE绝对丰度变化趋势则与未种植空心菜的实验组正好相反。各实验土壤中,四环素抗性基因丰度的不同与其施加MBC后对土壤细菌群落结构的改变有关。(5)根据土壤微生物基因组总DNA高通量测序结果,随MBC施加量增大,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度升高;绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、WPS-2相对丰度降低;芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)相对丰度先升高后降低,放线菌门(Actinobacteria)相对丰度则先降低后升高。土壤环境中各菌属相对丰度受MBC添加及其施加量的影响。PICRUSt功能预测分析结果表明,施加MBC会对土壤细菌自身基础生命活动和与外界信息传递等过程的通路产生影响。
【图文】：

技术路线图,技术路线,料盆,细菌群落

技术路线

图 3-1 EIBC800 和 CSBC800 的 FT-IR 图谱Fig. 3-1 FT-IR spectra of EIBC800 and CSBC800
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;TQ127.11

【参考文献】