垃圾填埋场覆盖土层中非甲烷类挥发性有机物与甲烷的共代谢机理及其调控机制

针对目前垃圾填埋气中甲烷与非甲烷类挥发性有机物（NMVOCs）对环境和生态系统影响的问题。拟选择填埋场中"填埋气-大气"体系的环境界面-覆盖土层为研究对象，以填埋气中三氯乙烯和甲苯等优先控制污染物为目标化合物，运用稳定性同位素探针技术（DNA/RNA-SIP、PLFA-SIP等），在分析覆盖土层中NMVOCs迁移转化行为与甲烷氧化的相互影响及其生物净化性能的主要限制因子的基础上，研究填埋气甲烷影响下代表性NMVOCs在覆盖土层中的代谢过程及其功能菌群，并对比常规填埋场覆盖土，探索生物覆盖土对代谢甲烷与NMVOCs微生物的功能基因表达水平的调控及其对甲烷与NMVOCs降解的强化效应，从而探明覆盖土层微生物系统代谢NMVOCs与甲烷的调控机制，提出基于强化填埋场覆盖土层环境效应的填埋气中甲烷与NMVOCs减排的调控技术。为科学利用填埋场覆盖土层的环境效应，减少填埋气的环境污染提供理论依据。

针对目前垃圾填埋气中甲烷与非甲烷类挥发性有机物对环境和生态系统影响的问题，课题以甲烷氧化菌Methylosinus sporium和填埋场覆盖土层为研究对象，以填埋气中三氯乙烯（TCE）和甲苯等优先控制污染物为目标化合物，在调研分析垃圾填埋场甲烷排放量及其覆盖土层甲烷氧化菌丰度和多样性的时空变化特征的基础上，研究了甲苯胁迫对Methylosinus sporium功能基因pmoA和mmoX表达的影响，探究了Methylosinus sporium代谢甲苯的可能性及其动力学；对比常规填埋场场覆盖土（LCS），研究了垃圾生物覆盖土（WBS）对甲苯/TCE的吸附性能及影响因子，探讨了甲苯/TCE胁迫下覆盖材料中甲烷氧化菌的种群结构及其活性的变化特征。结果表明，甲烷氧化菌具有代谢甲苯和NH4+-N的能力（如Methylosinus sporium能够代谢甲苯，生成邻甲苯酚），在多种污染物共存的填埋气中甲烷生物氧化受到甲苯/TCE等污染物浓度和代谢产物的影响。短期低浓度甲苯/TCE和甲烷的共存可以促进覆盖土甲烷氧化，但是长期高浓度甲苯/TCE和甲烷的共存会抑制覆盖土甲烷氧化。覆盖土对甲苯/TCE的吸附可用线性或Freundlich模型进行拟合。温度对覆盖土吸附脱除TCE性能的影响最大，其次是土壤粒径和含水率。甲烷和甲苯的共存对覆盖土中微生物具有较高地选择性，可降低体系中微生物的多样性。在甲烷和甲苯共存的培养物中甲烷氧化菌包括Methylosinus (91.8 %) 和 Methylocystis (8.2 %)，而在甲烷组中仅测到Methylocystis。与LCS相比，WBS不仅具有较高的甲烷氧化活性，而且对填埋气中甲苯/TCE具有较高的吸附和生物降解性能，是一种优良的填埋气污染物减排的填埋场覆盖土的替代材料。此外，结合甲烷、甲苯、O2在覆盖土层中扩散、对流和假一级污染物生物降解反应，首次建立了填埋场覆盖土层对填埋气污染物减排的解析模型，并提出覆盖土层O2充足和短缺时，填埋气污染物减排的主要调控方式。这对于科学利用填埋场覆盖土层的环境效应，减少填埋气的环境污染具有一定的意义。