生物炭对黑麦草根际土壤中多环芳烃微生物降解的影响及其分子机理

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have teratogenic, carcinogenic and mutagenic effects, which threaten the health of human and environmental. Biochar plays an important role in the remediation of PAHs in contaminated soil. However, the molecular mechanisms of biochar influencing on the degradation of PAHs in ryegrass rhizosphere soil are still unclear. In order to analyze the effects of different characteristics of biochar on microbial community structure, dioxygenase gene abundance, diversity and expression in rhizosphere soils, this project will set up microcosms consisting of biochar, ryegrass and contaminated soils. To do this, biochar with different biomass raw materials and pyrolysis temperatures will be added into a PAH-contaminated agricultural soil. Meanwhile, ryegrass will be planted. The relationship between PAHs degradation in rhizosphere soil and microbial dioxygenase under the action of biochar will also be investigated. The project can help to have an in-depth understanding of the interactions among biochar - plant - microbial in the process of soil remediation from the molecular level. In addition, it is of profound significance for the degradation of high molecular weight PAHs or some of its derivatives, and will provide support information for the large-scale application of biochar in the remediation of PAH-contaminated soils.

多环芳烃（PAHs）具有致癌、致畸、致突变等毒性效应，已严重威胁到人类和环境的健康。生物炭在PAHs污染土壤的修复中发挥了重要的作用，但是目前关于生物炭作用下根际土壤中PAHs微生物降解的分子机理还缺乏足够的认识。因此本项目针对PAHs污染农田土壤，添加不同生物质原料及热解温度的生物炭，并种植黑麦草，建立生物炭-黑麦草-土壤的微宇宙，分析不同结构的生物炭对根际土壤中微生物群落结构、双加氧酶多样性、数量及表达特征的影响机理，探讨生物炭作用下PAHs根际降解与微生物双加氧酶的关系。本项目从分子水平深入认识污染土壤修复过程中的生物炭-植物-微生物作用关系，对研究高环PAHs或其部分衍生物的降解具有深远的意义，也将为PAHs污染土壤修复中生物炭的大规模应用提供科学依据。

针对PAHs污染土壤，添加不同生物质原料及热解温度的生物炭，并种植黑麦草或者苜蓿，建立生物炭-植物-土壤的微宇宙，分析不同结构的生物炭对根际土壤中微生物群落结构、双加氧酶数量及表达特征的影响机理，探讨生物炭作用下PAHs根际降解与微生物双加氧酶的关系。成果表明：1)生物炭原料和裂解温度不同其理化性质不同；2）油菜秸秆生物炭增强了多环芳烃污染土壤的根际修复作用，2%生物炭添加量处理的根际土壤中总多环芳烃的去除效果最好。16S rDNA和PAH-RHDα GN基因活性随生物炭剂量的增加而增加，且与多环芳烃的去除呈正相关；3）500°C小麦秸秆生物炭或黑麦草均能降低PAHs的总量及生物有效态含量，生物炭的添加还能进一步刺激黑麦草根际土壤中GP和GN降解菌的生长及GN降解菌的活性。此外，生物炭和黑麦草共同作用降低了细菌丰富度，降低了真菌群落结构多样性和丰富度；4）不同温度不同原材料制备的生物炭对多环芳烃的根际降解效果不同（31.6%-62.5%），在500°C下制备的生物炭比在300°C下制备同种材料的生物炭对黑麦草根际土壤中多环芳烃的去除效果显著，且小麦秸秆生物炭的效果优于玉米秸秆生物炭。生物炭和/或黑麦草处理增加了脱氢酶和脲酶的活性，促进了总细菌及降解菌的生长。测序分析表明，土壤优势菌群发生了变化，部分PAHs降解菌富集。5）苜蓿、稻壳和稻壳生物炭单独作用都可以促进多环芳烃的降解，150天后，苜蓿与稻壳共同作用去除效率最佳（61.3%），而稻壳生物炭对根际土壤中的降解菌数量的促进作用更加显著；稻壳或稻壳生物炭增加了土壤中变形菌门的相对丰度，但均降低了土壤中细菌的丰富度和多样性，表明多环芳烃的降解与微生物的组成而不是其多样性有关。该研究成果从分子水平深入认识了污染土壤修复过程中的生物炭-植物-微生物作用关系，为PAHs污染土壤修复生物炭的大规模应用提供依据。