论文部分内容阅读
多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbon,PAHs）是一类具有两个及两个以上芳香环结构的持久性有机污染物。PAHs易在土壤中滞留,并可能通过食物链的传递和逐级放大作用对人类健康和生态系统造成不利影响。本研究以睾丸酮丛毛单胞菌（Comamonas Testosteroni）作为外接菌剂,设置4个处理组:牛粪与田园土堆肥组（CK）、牛粪与PAHs污染土堆肥组（PAH）、外接菌剂—牛粪与田园土堆肥组（CK+）及外接菌剂—牛粪与PAHs污染土堆肥组（PAH+）,建立牛粪-PAHs污染土壤模拟联合堆肥体系。测定了堆肥腐殖化进程中萘（Naphthalene,Nap）、菲（Phenanthrene,Phe）、苯并[a]芘（Benzo[a]pyrene,BaP）含量、理化参数、酶活性变化,通过qPCR和高通量测序分析该过程中微生物群落结构的动态变化,并探究了该牛粪堆肥过程中产生的腐熟肥料施用于PAHs污染老化土中对PAHs的降解作用。研究的主要结果如下:（1）牛粪和PAHs污染土壤按干重比6:4进行联合堆肥实验65d的过程中,体系内有机质含量由51.00%～59.02%下降至27.57%～31.06%,降解速率随时间的延长而减缓,PAHs的存在能够显著提高堆肥升温期有机质降解率,但PAHs和外接菌剂的双重作用则与之相反,高温期过后,二者均不影响堆肥进程中有机物质的转化。PAHs污染土壤在堆肥后期可溶性糖和可溶性氨基酸等易降解小分子物质含量显著低于非PAHs污染土壤,引起该变化的主要原因是PAHs对微生物存在胁迫作用使微生物提高自身代谢以抵抗不良环境。4个处理组中胡敏酸与富里酸的比值均逐渐上升,并在第65d时大于1.9,符合堆肥腐熟标准,且PAH+组中腐殖酸类物质和胡敏酸含量显著高于其他处理组。（2）通过GC-MS对牛粪-土壤联合堆肥体系中PAHs的动态变化进行了测定,堆肥结束时,Nap、Phe、BaP的降解率分别为81.97%～82.16%、79.44%～82.89%、59.63%～61.55%,三种PAHs均有显著降解;外接菌剂在堆肥初期快速起效,显著提高了Phe和BaP在初始7d内的降解效率。堆肥前期1～12d内,PAHs和外接菌剂均使样品中脱氢酶（Dehydrogenases,DHA）活性显著高于CK,因此PAHs的存在和外源菌剂的接入可以从不同角度强化整体微生物的代谢活性。PAH+组中多酚氧化酶（Polyphenol oxidase,PPO）和漆酶（Laccase,Lac）均表现出较高的活性,能够在PAHs的生物修复中起重要作用。（3）通过qPCR分析16S rRNA、3α-HSD/CR、PAH-RHDαGNF在联合堆肥进程中拷贝数的变化,发现外接菌剂能够提高体系内细菌的生物量,与此同时使堆肥结束时PAH-RHDαGNF基因拷贝数上升,而由于PAHs对体系内细菌有胁迫作用,3α-HSD/CR基因的拷贝数小幅降低。对细菌16S rRNA进行高通量测序分析表明,PAHs和外接菌剂均对堆肥过程中物种丰富度和多样性产生影响。堆肥内细菌主要来源于21个菌门,其中优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）。统计分析属水平上的物种丰度,并与理化指标、酶活性、功能基因及PAHs含量进行皮尔森相关性分析、冗余分析和网络分析发现,外接菌剂能够显著提高土著微生物对Phe和BaP的降解能力,同时提高了微生物群落结构对PAHs的适应性和微生物类群与PAHs的响应关系。（4）以20%的比例向PAHs污染老化土中施入牛粪-土壤联合堆肥过程中产生的腐熟肥料,对培养30d过程中PAHs含量进行测定,发现腐熟肥料的施入能够显著提高老化土PAHs的降解效率,30d内LMW-PAHs和HMW-PAHs降解率分别是58%～79.93%和31.15%～36.58%;除个别处理组外,∑13 PAHs降解率可达45%以上,降解效果良好。同时腐熟肥料的施入能够显著提高PPO、DHA和脲酶活性,说明牛粪-土壤联合堆肥产生的腐熟肥料能够有效提高老化土中微生物生物量及其代谢活性,有利于PAHs的降解。综上所述,本文构建了有机废弃物和PAHs污染土壤联合堆肥体系,探究了堆肥及接菌堆肥对PAHs的降解作用,及堆肥过程中微生物群落结构动态变化,上述实验表明,堆肥和接菌堆肥均能在一定程度上提高PAHs污染土壤中PAHs的降解效率并提高影响堆肥体系内的理化指标和酶活性;同时堆肥过程能够显著提高PAHs降解功能基因拷贝数;虽不改变微生物群落结构组成,但对堆肥体系内门水平和属水平的细菌相对丰度和属间相关性及菌属与各指标间相关性有影响。将牛粪-土壤联合堆肥过程产生的腐熟肥料与PAHs污染土壤联合培养,实验证实腐熟肥料能够作为土壤改良剂对该老化土进行生物修复。因此本文在探究利用堆肥过程降解土壤中PAHs的作用机制的同时,对有机废弃物的处理及土壤PAHs的“原位堆肥修复”提供理论依据及应用基础。