纳米Ni/Fe-生物炭复合材料对土壤多溴联苯醚吸附降解和生物有效性的作用机制

Nanoparticles are easy agglomerated and oxidized in contaminated soil remediation, leading their mobility and stability to poor, and cause secondary environmental pollution risk, which have been the questioned focus for its application. Based on the effective degradation of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) by Ni/Fe nanoparticles, the present proposed study intends to develop a biochar supported modification technology to synthesize nano Ni/Fe-biochar composites. Through the soil column experiments and sedimentation experiments, the effect and mechanism of biochar on the mobility and stability of Ni/Fe nanoparticles will be studied. Through the batch experiments, the influence and mechanism of biochar on the reactivity of Ni/Fe nanoparticles for decabromodiphenyl ether(BDE209) degradation in the soil will be determined.The pot experiments and early growth plant seedlings testes will be used in this work. On the comparative bioavaliability of BDE209 in the soils by nano Ni/Fe particles, biochar, nano Ni/Fe-biochar composites, the translocation of BDE209 and its degradation products in soil-plant system, the distribution of nickel and iron metal ion in soil-plant system, and the change of the structure and characteristics of the soils, the mechanisms of bioavailability for BDE209 in the soils by nano Ni/Fe-biochar composites will be identified. It will be important for the development of theory and technology of nanoremediation in contaminated soil.

纳米颗粒在土壤污染修复中容易团聚氧化，导致其流动性、稳定性差，以及可能的二次环境污染风险是其应用的质疑焦点。本项目在纳米Ni/Fe颗粒降解多溴联苯醚（PBDEs）的工作基础上，以十溴联苯醚（BDE209）为目标物，采用生物炭负载修饰技术，制备纳米Ni/Fe-生物炭复合材料，通过土柱流动实验和沉降实验，研究生物炭对纳米Ni/Fe颗粒流动性和稳定性的影响规律及其作用机理。通过批量实验方法，研究生物炭对纳米Ni/Fe颗粒修复土壤BDE209反应活性的影响规律和作用机理。通过植物幼苗早期生长实验和植物盆栽实验，研究土壤－植物体系中BDE209及其降解产物的分布规律、土壤－植物体系中Ni和Fe迁移转化规律，阐明生物炭在纳米Ni/Fe颗粒修复土壤BDE209过程中对BDE209生物有效性的作用机制，为土壤污染纳米材料修复技术与理论发展提供支撑。

尽管纳米Ni/Fe能够很好地应用于十溴联苯醚(BDE209)污染土壤修复，但是仍然存在纳米颗粒易团聚、流动性和稳定性差、修饰金属析出以及产生毒害性更大的中间产物的问题，因此，如何解决其在污染修复存在的缺陷显得尤其重要。本项目采用生物炭作为载体构筑生物炭负载纳米Ni/Fe复合材料（BC@Ni/Fe），并将其用于土壤中BDE209的修复。通过微观成像及物化表征手段表明生物炭作为载体可有效防止纳米Ni/Fe团聚，同时，批处理实验表明BC@Ni/Fe对土壤中BDE209的去除率比纳米Ni/Fe高出30.2%。通过GC-MS及离子色谱等物质分析鉴别手段表明BC@Ni/Fe对土壤中BDE209的去除是吸附和还原降解共同作用的过程，是逐步脱溴和多级脱溴共存的过程，并且发现BC@Ni/Fe可有效吸附固定BDE209的降解中间产物。通过DTPA以及SEP等方法评价土壤中金属离子的生物有效性，发现生物炭的引入能吸附释放到土壤中的Ni离子，降低其生物有效性。植物幼苗早期生长和植物盆栽实验结果表明，相比于未修复土壤组和纳米Ni/Fe处理组，BC@Ni/Fe修复后土壤种植的白菜各项生长发育指标均得到有效改善，表明经BC@Ni/Fe修复后土壤的毒性作用明显降低，同时，BC@Ni/Fe处理组中植物体内蓄积的Ni、Fe及BDE209的含量最少。最后，对修复前后土壤理化性质测试表明，生物炭的引入可有效的改善土壤的理化性质，提高土壤的肥效性，有利于植物的生长。综上，采用生物炭作为载体，既提高了BDE209污染土壤修复效果又有效解决了单独纳米Ni/Fe修复带来的负面影响，降低了植物受到纳米Ni/Fe和PBDEs的毒性作用，同时还可以有效改善土壤理化性质，提高土壤的肥效性，利于植物的生长，是一种优越的PBDEs污染土壤修复技术。