生物炭负载石墨相氮化碳与固定化微生物对土壤石油烃协同降解机理

Petroleum hydrocarbons have high resistance to biodegradation and cause severe soil pollution and salinization in the northeast oilfield in China. The aim of our study is to reclaim the petroleum-hydrocarbon-contaminated soil using multifunctional composite materials to enhance the synergistic effects of chemical and biological degradation. The composite materials were obtained by preparing biochar from corn straw, corn cob, and soybean straw, doped with graphitic carbon nitride (g-C3N4), and then immobilized dominant petroleum degrading bacteria. The physical and chemical properties of the composite materials were evaluated. 13C isotope analysis was used to investigate the mechanism and key controlling factors of chemical degradation of alkanes, aromatic hydrocarbons and BTEX using the biochar-loaded catalyst under the condition of visible light or microwave. The biodegradation mechanism and its key controlling factors by biochar immobilized dominant petroleum degrading bacteria were examined as well. Finally, the mechanism of synergistic degradation and the regulating mechanism among physical, chemical, and biological characteristics of soil were illustrated, which provided scientific basis for the petroleum-contaminated soil remediation.

本项目针对土壤中石油烃的难生物降解特性，结合我国东北油田开采区土壤石油烃污染严重与强盐碱化的实际问题，以东北地区主要农业生物质材料玉米秸秆、玉米棒芯、大豆秸秆等制备的生物炭为载体，在对生物炭负载g-C3N4改性催化剂与固定化石油烃优势降解菌制备的多功能复合材料的物理结构表征与化学性质分析的基础上，采用13C同位素分析技术，揭示可见光/微波条件下生物炭负载催化剂对烷烃、芳香烃与BTEX等主要石油烃污染物的化学催化降解过程与关键影响因子；探究生物炭固定化石油烃优势降解菌对土壤石油烃的生物降解机理与主要影响因子；重点阐明生物炭负载催化剂与固定化微生物对土壤石油烃化学催化与生物降解的协同作用及土壤理化、生物学性质调控机理。通过生物炭负载催化剂与固定化微生物实现土壤石油烃污染物的协同降解与农业废弃物资源化利用，并同时有效调控土壤理化、生物学性质，为石油烃污染土壤修复提供科学依据。

针对我国采油区土壤石油烃污染严重及其难生物降解的特性，以玉米秸秆和芦苇杆等生物质材料烧制生物炭，并以其负载K和P@g-C3N4与固定化石油烃降解菌制备复合材料；揭示了可见光/微波条件下生物炭负载催化剂对石油烃的化学降解过程，以及生物炭固定化微生物对石油烃的生物降解机理；阐明了生物炭负载催化剂与固定化微生物对土壤石油烃化学催化与生物降解的协同作用，为实现农业废弃物制备生物炭资源化利用及石油烃污染土壤修复提供科学依据。.研究结果如下：. 玉米秸秆和芦苇杆生物质表面（SEM）呈现明显的疏松多孔立体结构；随生物炭裂解温度升高，其C含量增加，H和O含量降低，BET比表面积和总孔容积上升，表面官能团数量减少。石油污染土壤经生物炭修复后，C/N显著降低，对饱和烃的修复效率最高，非烃类物质最低；5%的生物炭（500℃）用量对土壤中TPHs修复效率最好；生物炭与营养元素联合处理明显提高正构烷烃的降解率，尤其对C22、C27 和C31等高碳数石油烃组分降解效果明显。. 生物炭负载K@g-C3N4的吸收能带红移至约600 nm的可见光区域，禁带宽度减少至2.31eV，证实了生物炭作为终端电子受体，g-C3N4导带上的电子可迅速转移至生物炭表面，改善光催化反应活性。可见光照射下生物炭负载K@g-C3N4对多环芳烃萘的降解为82.19%，其与微波诱导协同作用对萘的修复效率可高达93.76%。光照时间、光催化剂前驱物掺杂比例、催化剂用量及石油烃初始浓度是影响其光催化降解的重要因素。. 生物炭固定化石油降解菌明显增加土壤中石油烃降解优势菌群，提高土壤中脱氢酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶的活性。土壤容重和孔隙度、田间持水量与总石油烃各组分物质的去除率相关性显著。55%的土壤孔隙度、25%的土壤含水率、5%固体菌剂添加量、10:1的N:P比、0.5%生物表面活性剂用量是生物炭修复石油污染土壤的适宜条件。