黑碳对湿地土壤中疏水性有机污染物吸附解吸和微生物可利用性的影响

Black carbon (BC), an important component of soil organic matter, is proposed to be a promising sorbent for removing organic contaminants from the environment due to its strong sorption affinity and capacity for hydrophobic organic contaminants (HOCs), low production cost and limited secondary pollution. However, strong sorption of HOCs to BC and the associated sequestration may reduce their bioavailability to degrading bacteria, leading to high residue levels and great ecological and health risks. At the micro-scale, the exact mechanisms regarding effects of the interfacial interactions among BC, HOCs and soil particles on bioavailability of HOCs in soils are still poorly understood, mostly due to the extremely complex composition of BC, physicochemical properties of HOCs, and soil structure and composition. Supported by this project, the work as follows is proposed to be done. The underlying mechanisms on how BC (including BC isolated from wetland soils and biochar introduced from the process of wetlands exploitation to croplands) may affect the microbial availability of HOCs in wetland soils at micro-scale will be systematically investigated. Furthermore, influence of dissolved organic matter on interfacial sorption-desorption process of HOCs to BC and how it may affect biodegradation of HOCs and the intrinsic mechanisms will be explored. Results of this study certainly will help better understand the environmental behaviors of HOCs in wetland soils and accurately assess their risks. In addition, our findings will be of great significance for developing effective and scientific strategies for possible application of biochar for soil organic pollution remediation as well as management and protection of the wetland ecosystems.

黑碳是土壤有机质的重要组分，且因其吸附性强、制备成本低、二次污染少，在土壤有机污染控制中具有潜在的应用前景。然而，黑碳对疏水性有机污染物（HOCs）的强吸附和锁定作用降低其微生物可利用性，抑制微生物降解，导致其在环境中的高残留和潜在的健康/生态风险。由于黑碳来源性质的多样性、HOCs理化属性的差异性及土壤组成结构的复杂性，微观尺度上三者之间的界面作用对土壤中HOCs微生物可利用性影响的内在机理尚不明晰。本项目拟围绕湿地土壤本源黑碳及湿地农田化过程中生物质黑碳的引入对湿地土壤中HOCs微生物降解的微观影响机制开展系统深入的研究，并探究土壤溶解性有机质对黑碳与HOCs之间的吸附-解吸作用以及污染物微生物降解的影响和作用机制。研究结果有助于更为准确预测湿地土壤中HOCs的环境行为和评价其环境风险，为生物炭在湿地土壤有机污染缓解与修复中的应用提供科学依据，同时为制定湿地保护和污染调控策略提供指导。

湿地农田化过程中生物质燃烧的黑碳不可避免地进入土壤，并且生物质黑碳作为低成本的高效吸附剂被广泛应用于土壤有机污染控制。生物炭对有机污染物的强吸附性显著降低污染物的微生物有效性，抑制其降解和从环境中的彻底去除。另外，土壤中普遍存在的溶解性有机质（DOM）可刺激降解菌生长；其水溶性和对有机污染物的亲和力影响污染物的自由溶解态浓度、传质速率和微生物有效性；DOM的竞争吸附和增溶效应影响有机污染物在生物炭上的吸附解吸，进而影响污染物的微生物降解性。本项目围绕DOM、生物炭、有机污染物三者相互作用对有机污染物微生物有效性和降解性的影响开展系统深入的研究，对评估有机污染物的环境行为和归趋意义重大。.本项目的重要成果和科学意义如下：.（1）明确了不同改性处理生物炭的理化属性与不同性质有机污染物吸附行为（包括动力学吸附过程和热力学吸附平衡）之间的构效关系。从微观层面上明晰生物炭与DOM（腐殖酸）的相互作用以及去灰分处理对其理化属性（尤其是表面化学组成和表面极性）的改变影响不同性质有机污染物的吸附过程和能力的分子作用机理。.（2）揭示了DOM（腐殖酸）能促进吸附在生物炭上的有机污染物（菲）的微生物矿化速率和矿化程度，与其促进了解吸和作为载体介导菲与微生物间的物质传输有关，为发展生物炭吸附-DOM协同强化微生物降解技术在有机污染控制领域的应用提供夯实的理论基础。.（3）基于i）碳纳米材料与有机污染物的界面作用对污染物微生物有效性的影响；ii）细胞和群落层面碳纳米材料的毒性作用对微生物的活性和降解能力的影响两个方面，初步探讨了碳纳米材料对（土壤中）有机污染物微生物降解的影响及相关机制。此外，探讨了DOM对碳纳米材料吸附固定有机污染物的能力及其生态毒理效应的影响将如何影响有机污染物的微生物降解及潜在机制。对于评估环境新型黑碳（碳纳米材料）的环境效应和生态风险以及有机污染物的微生物修复均具有重要的启示作用。