基于功能生物炭强化黑土邻苯二甲酸(2-乙基已基)酯(DEHP)污染修复的机制研究

Di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) is an organic contaminant with endocrine disrupting effects. Because of its widespread use in the plastic and pesticide manufacturing industries, DEHP has become one of the emerging contaminants with an increasing public concern. Nevertheless, the researches working on DEHP remediation and relative mechanisms are rare due to the uneven distribution of this contaminant and lower mass transfer efficiency in polluted mollisol. This project will be focused on the high risk area of PAEs pollution in mollisol of China. Corn straw, a typical crop waste, is selected to produce functional biochars under increasing pyrolysis temperatures and then the materials will be applied to mollisol remediation. The samples of plants, soil and solution will be collected, and DEHP in these samples will be extracted and measured by gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS). Studies on the influence of biochar on the adsorption, degradation and effectiveness of plant absorption and enrichment of soil residual DEHP will be conducted through macro-genomics, materials science, biotechnology and bioinformatics techniques. The purpouse of this research is to explore the mechanism of detoxification effects of biochar on black soil, plants and soil microorganisms, and to reveal the mechanism of enhanced biodegradation of typical organic pollutants by biochar in black soil. This will make simultaneous detoxification, pollution control and yield increase reality. All results above will be helpful to elucidate the regulation mechanism of the enhanced degradation by biochar, and provide scientific basis for remediation of organic contaminated mollisol and for the safety of agricultural products.

邻苯二甲酸(2-乙基已基)酯(DEHP)是一种具有内分泌干扰效应的酞酸酯类污染物，也是塑料棚膜和农药的重要成分，目前农业用地DEHP残留已成为全球普遍关注的问题，特别是污染黑土中DEHP分布不均及传质效率低等局限，农用黑土DEHP污染修复及相关机制研究较少。本项目拟针对我国黑土PAEs高风险区，以功能生物炭材料为核心技术突破口，选择典型疏水性有机污染物DEHP为研究对象，以秸秆为炭基材料制备适用于黑土有机污染修复的功能生物炭材料，通过宏基因组学、材料学、地学、生物过程环境组学和生物信息学技术研究生物炭强化土壤DEHP的吸附、降解及对植物有效性影响规律，围绕黑土微生物群落对污染修复过程的响应与反馈、微生物群落演替、降解基因的丰度、土壤肥力变化，探讨生物炭对黑土、植物和土壤微生物的解毒机制，揭示功能生物炭材料对黑土典型有机污染物的强化降解调控机理，实现同步降毒控污增产。

针对黑龙江黑土区塑料农膜的广泛使用而引发的土壤有机污染，土壤可持续利用受到抑制等问题，以农业废弃物秸秆为原料制备生物炭材料并应用于典型有机污染物邻苯二甲酸二酯（DEHP）污染土壤的修复，研究秸秆基生物炭对DEHP在黑土中迁移、环境生物毒性、环境寿命、植物的吸收利用和降解的影响，并在黑土质量和微生物群落构成两个层次上探究了生物炭对黑土土壤中DEHP的强化修复生物机制及其对土壤氮素循环的影响。结果表明，在限氧条件下，600℃下制备的生物炭具有较高的比表面积，有利吸附污染物。在经过自然和冻融循环作用老化后，生物炭pH显著降低，阳离子交换量显著提高，更有利于其对DEHP的吸附和降解，其中冻融老化后的效果更显著。此外，添加生物炭可显著降低土壤中DEHP的生物有效性和小白菜体内的含量，其中添加量为3%冻融老化生物炭后，小白菜体内叶绿素、维生素C、可溶性蛋白和鲜重在所有处理中达到最大值，所受胁迫最低，对DEHP的迁移、抑制和降低生物毒性效果最为显著。冻融老化后生物炭通过提高土壤中全效和速效养分的含量，增加了土壤中细菌群落的多样性，提升了邻苯二甲酸降解路径中酶的基因丰度，促进了DEHP的降解，其中3%冻融老化后的生物炭效果最为显著，可在短期（14 d）内迅速降解黑土土壤中的DEHP。此外，冻融老化生物炭的添加有利于稳定DEHP污染黑土土壤的酶活性（脲酶、蔗糖酶等）。通过评价氮循环微生物物种变量与环境变量之间存在的关系，对氮循环功能进行预测，表明冻融老化生物炭可提高土壤中氮循环功能菌群的丰富度。综上所述，通过添加生物炭降解DEHP是可行的，在经过自然或冻融作用后老化的生物炭表现出更高效的DEHP降解能力。本项目揭示了生物炭对黑土土壤中DEHP的吸附、降解和迁移机制，以及DEHP污染土壤的修复机理，为黑土土壤可持续利用提供重要的理论依据。