生物炭对稻田土壤中氯代有机污染物还原转化与产甲烷过程的影响与作用机制

Similar to the humic substances, biochar has been very recently studied and proposed as an electron shuttle capable of enhancing microbial extracellular electron transfer coupling with environmental effects. It is becoming a research hotspot in the field of soil organic pollution control and remediation. Based on our previous work, this project intends to focus on the environmental function of electron shuttle of biochar, with the emphasis on their influence in microbial mediated anaerobic transformation process. Concretely, the dynamics in changes of dechlorination of chlorinated organic pollutants (COPs) and methanogenesis in flooded paddy soils will be studied in the presence of biochar. Through regulating system co-occurring electron donors/acceptors and electron shuttles, the influence of biochar under different redox condiction, on the interaction between COPs dechlorination and methane formation, as well as on the electrons transfer shunt between these two reduction processes, will be clarified. The underpinning chemical and microbiological mechanisms will also be disclosed. To coordinate the responses of active microbes and their environmental functions in COPs dechlorination and methanogenesis, this study try to provide a scientific support for developing a synchronous reduction of COPs and greenhouse gas emissions. The expected results will be important for improved understanding of biochar’s environmental function in soil pollution control and remediation, and may also provide important theoretical basis for improved understanding of the anaerobic transformation of typical pollutants in the critical zone of soil environment.

生物炭类似腐殖质等电子穿梭体强化微生物胞外电子传递及其耦合环境效应已成为土壤有机污染控制与修复领域的研究新热点。本项目拟围绕生物炭电子穿梭特性的环境功能，在前期工作的基础上，以微生物介导的厌氧转化为切入点，开展生物炭存在下淹水稻田土壤中氯代有机污染物（COPs）还原脱氯和产甲烷的动态研究，基于对共存电子供/受体和生物炭电子穿梭特性的调控，阐明不同还原条件下生物炭对COPs脱氯和甲烷生成两种还原过程间耦合关系及其过程中电子传递流向的影响作用与化学-微生物学耦合介导机制，协调微生物响应及其与COPs脱氯、产甲烷的环境功能的关系，为发展同步削减污染物和降低温室气体排放的双赢的稻田COPs污染修复方法提供科学支撑。预期成果是对已有基于生物炭的旱作土壤污染控制与修复研究的重要补充和完善，可为深入理解土壤关键带环境系统中典型可还原污染物的微生物厌氧转化提供重要理论基础。

以五氯酚（PCP）和林丹（γ-HCH）为研究对象，围绕生物质炭对稻田土壤中氯代有机污染物（COPs）还原转化与产甲烷过程的影响与作用机制，重点开展了不同来源不同热解温度的生物质炭差异、PCP还原转化和产甲烷过程动态变化及生物质炭的影响、γ-HCH还原转化和产甲烷过程动态变化及生物质炭的影响、电子供体/受体对生物质炭存在下COPs还原转化和产甲烷过程的影响、生物质炭电子穿梭体特性对γ-HCH还原转化和产甲烷过程的影响五个方面的研究，获得以下主要结论：.厌氧环境中COPs还原脱氯的速率受到环境中降解微生物、电子供体/受体以及氧化还原条件等因素的综合调控。生物质炭具有良好接受和传递电子的能力，能够改变功能微生物丰度和活性，对COPs还原转化具有复杂的化学-微生物耦合调控作用：当土壤本底电子相对贫瘠时，生物质炭参与土壤本底的氧化还原过程，作为电子穿梭体将有限电子传递到更易获得电子的产甲烷过程，从而相对抑制PCP还原脱氯；而在不同电子供体/受体调控下，生物质炭的添加增强了微生物共现网络模块化程度，并通过吸附作用增大污染物的生物有效性，由此促进不同稻田土壤中γ-HCH生物降解及其产甲烷过程。为基于生物质炭的应用调控COPs还原脱氯同时抑制甲烷产生，进一步通过外源生物电化学刺激开展了研究，发现在微生物电解池体系中，通过弱电刺激可以协调微生物响应及其与COPs脱氯和产甲烷的关系，放大生物质炭的电子穿梭特性，强化微生物胞外电子传递，由此实现在促进COPs降解的同时甲烷得以减排。项目成果为发展同步削减污染物和降低温室气体排放的稻田COPs污染修复方法提供了科学支撑。.已在Soil Biol Biochem、Environ Sci Technol 等上发表标注论文22篇（含SCI论文19篇），在国际和全国性专业学术会议上交流31次；申请国家发明专利3项，其中授权2项，1项授权专利已实施许可转让；出版《土壤有机/生物污染与防控》专著1部；培养了博士后1名、博士生6名、硕士生4名；依托本项目成果负责人新增获得主持浙江省自然科学基金重大基金项目1项。