外源电子受体硝酸盐对水稻土中林丹降解的影响

发布时间：2020-10-20 19:57

　　 六六六(Hexachlorocyclohexane,HCH)是一种广谱性的有机氯杀虫剂,其中具有杀虫成分的是γ-HCH异构体,又名林丹。由于林丹化学性质稳定,自然条件下半衰期长,导致其在土壤中有较高的残留,对环境造成持续的污染和危害,还会通过食物链危害人体健康。水稻土长期淹水,因此,厌氧还原脱氯会是林丹在水稻土中的主要降解方式。与此同时,水稻土中其他生源要素(如碳、氮、硫、铁等)的氧化还原转化也会和林丹的还原脱氯存在相互联系,从而对其降解产生影响。本论文将经γ射线灭菌后的土壤和未灭菌的土壤分别淹水预培养30天,以恢复灭菌土壤中的微生物群落和活化原始土壤中的微生物群落,模拟具有不同初始菌群状况的淹水稻田土壤环境,通过厌氧泥浆培养批次试验,外源添加不同电子供体(乙酸盐和甲烷)、电子受体(硝酸盐)以及不同有机物料(水稻秸秆、油菜秸秆、兔粪沼液),研究了厌氧条件下林丹还原脱氯及其与土壤中其他典型还原过程(反硝化过程、铁还原过程、硫还原过程、产甲烷过程)的关系。获得主要研究结果如下:(1)在不添加外源电子供体的情况下,γ射线灭菌后体系中的铁还原和林丹降解都得到了提升,其中灭菌土中的Fe(Ⅱ)产量是原始土壤的1.5-2倍,林丹降解率则提升了 18.8-27.6%。基于qPCR的数据分析却发现脱氯功能基因Dhc和铁还原功能基因Geo在灭菌土壤中的拷贝数比在原始土壤中低1-2个数量级,说明经γ射线灭活处理后,土壤中由Dhc和Geo指示的脱氯菌和铁还原菌不易在后续培养过程中恢复原始活力,推测灭菌土壤中增强的铁还原、林丹降解现象可能与非生物主导的还原作用有关。可能原因在于:土壤中部分大分子有机质和矿物质以及部分死亡菌体经γ射线照射后分解,从而使DOC和Fe(Ⅱ)含量得以提升(分别从1131.2 mg/kg和285.2 mg/kg增加到1743.1 mg/kg和355.3 mg/kg),形成了更多吸附Fe(II)表面复合物,增加了 Fe(Ⅱ)周围的电子密度,促进了脱氯过程的电子转移,因此促进了林丹的非生物降解。(2)在原始土壤中,与对照处理相比,添加外源电子供体乙酸钠后,Fe(Ⅱ)还原速率和林丹的降解率分别从7.5 μM/d和70%增加到25 μM/d和95%左右。与此同时,高通量测序结果表明,具有铁还原功能的Geobacter和Anaeromyxobacter的相对丰度在乙酸钠处理组中分别增加了 0.7%和2.2%,而脱氯功能菌无增长。由此猜测原始土壤中的还原过程可能以生物作用占主导,且林丹的降解中,由铁还原菌介导的与铁还原耦合的非专性脱氯可能具有重要贡献;同时,与对照处理相比,添加外源电子受体硝酸盐的处理中,林丹的降解率在培养末期(28天)从对照处理的75%降低至67%,铁还原过程也受到了抑制(硝酸盐处理中的Fe(Ⅱ)生成量比对照处理少50μmol/g),narG和nirS基因拷贝数表现出一致性增加,而Geo和Dhc基因拷贝数却有所减少。说明土壤中其他电子受体(如N03-)的还原过程会与林丹还原脱氯形成电子竞争,从而抑制林丹的降解。此外,原始土壤在外源添加乙酸钠的处理组中,是否添加硝酸盐对林丹的降解均没有显著影响,只添加乙酸钠、以及同时添加乙酸钠和硝酸钠的两个处理中林丹的降解率均在21天就达90%以上,说明补足电子供体可以消除土壤中其他电子受体(如NO3-)与林丹在还原脱氯中存在的电子竞争效应。(3)用充足等电子量的甲烷代替乙酸钠作为电子供体,发现甲烷补给条件下,硝酸盐处理中林丹的降解率从95.9%降低至88.6%,受到抑制,且这种抑制作用也一致性地反映在铁还原和硫酸盐还原过程中。此外,与无外源电子供体补给的处理相比,甲烷添加可以促进林丹的降解(降解率从68.8-77.4%增加为88.6-95.9%),并减弱反硝化对林丹降解的抑制作用(抑制率11.63%降到7.36%)。而和乙酸钠作为电子供体的情况相比(抑制率为0.03%),补给等电子量的甲烷体系中反硝化作用对林丹降解的抑制更为明显。该过程中,依赖硝酸盐型甲烷厌氧氧化的关键功能基因mcrA的基因拷贝数在硝酸盐处理中约为不添加硝酸盐处理的1.5倍,而传统反硝化作用必然会产生的中间产物N20在整个培养期间都没有明显检出,说明培养体系中可能存在以甲烷作为专一性电子供体、依赖甲烷厌氧氧化的反硝化作用。这种作用间接提供了电子供体补充新途径,因此有效降低了反硝化过程对淹水稻田土壤中林丹还原降解的电子竞争效应。但对比甲烷处理组和乙酸钠处理组对林丹降解抑制作用的差异来看,如体系中电子供体充足且微生物可利用性更高的环境条件下,依赖甲烷厌氧氧化的反硝化在整个还原过程中发生的概率可能较低,因而其通过提供电子供体补充途径的作用对林丹降解的影响也会减弱。(4)设置了不同C/N的含氮有机物料添加处理,包括水稻秸秆(C/N=62.41)、油菜秸秆(C/N=36.75)、兔粪沼液(C/N=0.29),发现经过28天培养后,不同处理中林丹的降解率为对照处理(55.0%)水稻秸秆(52.2%)油菜秸秆(51.8)兔粪沼液(43.3%),说明外源有机物料的添加抑制了淹水土壤中林丹的降解,且有机物料的腐熟程度或秸秆物料易腐熟程度越高,其抑制作用越明显。主要原因可能在于有机物料的腐熟程度越高,在培养过程中释放出的溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机氮(DON)越多,越有利于增强土壤中本底氧化还原过程(包括反硝化过程和产甲烷过程)的竞争性。总结来说,本论文在实验室理论研究结果基础上,采用与田间实际管理更接近的含氮有机物料为对象开展研究,探究水稻土中不同氧化还原过程对林丹降解的影响,研究结果能更合理的指导污染稻田田间管理实践,并可为实地氯代有机物污染土壤的优化修复提供更为准确和有效的理论支撑。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X53
【部分图文】：

５ＣＨ３Ｃ００－?＋?８Ｎ０３－?—?４Ｎ２＋ＩＯＣＯ２＋１３０Ｈ－?＋?Ｈ２０?（２．２）??Ｅｈ值是反映土壤中氧化还原程度的重要指标。如图２．２，灭菌土壤中，??Ｅｈ变化波动很小，基本保持在－２２０ｍＶ左右，是理想的产甲烷环境。而在原??始土壤中，对照处理的Ｅｈ在整个培养时期均呈现下降趋势（图２．２Ａ）；而乙??酸钠处理组的Ｅｈ在培养前７天就迅速下降至－２５０?ｍＶ，之后保持基本稳定??（图２．２Ｂ），这与ｐＨ的变化是一致的，可能也是因为乙酸钠能被微生物快速??利用，从而更快达到厌氧环境。??７．６?－?ａ?－Ｂ??—〇－?Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＋ＣＫ?■?丁??－＊０－?Ｒｅｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎ＋ＮａＮ０３?／?？Ｌ??－■一Ｏｒｉｇｉｎ＋ＣＫ?ｔ?／??—Ｏｒｉｇｉｎ＋ＮａＮ０３?ｊｋ??參ｒ??６．４?－?－??ｉ?．?ｉ?，?？?，?ｉ?．?ｉ?Ｉ?ｉ?，?ｉ?．?？?．?ｉ?．?ｉ??０?７?１４?２１?２８?０?７?１４?２１?２８??Ｔｉｍｅ（ｄａｙ）??图２．１各处理中ｐＨ随时间变化，（Ａ）对照处理组，（Ｂ）乙酸钠处理组??Ｆｉｇ?２．１?Ｄｙｎａｍｉｃｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｆ?ｐＨ?ｉｎ?（Ａ）?Ｃｏｎｔｒｏｌ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｇｒｏｕｐ

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０?７?１４?２１?２８?０?７?１４?２１?２８??Ｔｉｍｅ（ｄａｙ）??图２．２各处理中Ｅｈ随时间变化，（Ａ）对照处理组，（Ｂ）乙酸钠处理组??Ｆｉｇ?２．２?Ｄｙｎａｍｉｃｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｆ?Ｅｈ?ｉｎ?（Ａ）?Ｃｏｎｔｒｏｌ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｇｒｏｕｐ，?ａｎｄ?（Ｂ）?Ａｃｅｔａｔｅ??ａｄｄｅｄ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｇｒｏｕｐ，?ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．??ｉ〇?［ｔ?＾Ｔｔ?ｒ??Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＋ＣＫ??—Ｏ—?Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＋ＮａＮ０３???■?Ｏｒｉｇｉｎ＋ＣＫ??８?－?■■?＃■■■■?Ｏｒｉｇｉｎ＋ＮａＮ０３??！６：??窆４?－??２－??Ｕ?ｈ?ｔ?■?ｉ?■?篇?ｉ?ｉ?■?ｉ?ｈ￣?ｉ?．?ｉ?■?ｉ?＊?？?■?ｉ??０?７?１４?２１?２８?０?７?１４?２１?２８??Ｔｉｍｅ（ｄａｙ）??图２．３各处理中Ｎ０３？浓度随时间变化，（Ａ）对照处理组，（Ｂ）乙酸钠处理组??Ｆｉｇ?２．３?Ｄｙｎａｍｉｃｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＮＯ３＇?ｉｎ?（Ａ）?Ｃｏｎｔｒｏｌ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｇｒｏｕｐ，?ａｎｄ?（Ｂ）??Ａｃｅｔａｔｅ?ａｄｄｅｄ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔ?ｇｒｏｕｐ，?ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．??２１??
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本文编号：2849094