沼渣对铬在土壤-植物系统中迁移转化的调控机理

Treating Chromium (Cr) pollution is an important part of heavy-metal soil pollution remediation in our country. How to transfer the high toxicity Cr (VI) into low toxicity Cr (III) is the hotspot of research on soil Cr pollution remediation. Digestate is solid parts after anaerobic fermentation of organic wastes for biogas, and usually used for organic fertilizer, but scarcely used for the soil pollution remediation. Strongly reducing substance and rich anaerobic microorganisms make digestate to be potential organic materials for remediation of Cr polluted soil. Using digestate to treat the soil pollution is waste reuse, having the energy and environmental benefits. Thus, studying the effect of digestate on Cr translocation and transformation in soils and analyzing the mechanism have great significance for soil pollution remediation and waste resource utilization. Based on rhizo-box pot experiment, the present work chooses the Cr polluted soils as subjective to analyzes the contribution of chemical and microbial substance in cow digestate to the Cr (VI) reducing, and investigates the effect of Cr rhizospheric speciation on plant accumulation after digestate addition using techniques of high-throughout sequencing, radiation X- ray fluorescence, and X-ray absorption near edge structure. Our objective is to disclose the regulation mechanism of digestate on Cr translocation and transformation between soil and plant, and provide the scientific basis for the soil pollution remediation and waste resource utilization.

铬(Cr)污染是我国重金属土壤污染的重点治理对象，如何将高毒性的Cr(VI) 经济、快速地还原成毒性较小的Cr(III)，是土壤铬污染修复研究的热点。沼渣是有机废弃物厌氧发酵产沼气后剩余的固型部分，现阶段主要作为有机肥使用，而作为土壤污染修复基质的研究较少。沼渣特有的强还原性及丰富微生物使其成为铬污染土壤修复的潜在有机材料。沼渣治污是废弃物能源化的再利用，具有能源环境双重效益。因此，研究沼渣对土壤Cr迁移转化的影响，分析其作用机理，对土壤污染修复及废弃物资源利用具有重要意义。本项目以牛粪沼渣为添加材料，以Cr污染土壤为研究对象，采用根箱盆栽试验，结合高通量测序、X射线荧光及X-射线吸收近边结构光谱技术，分析沼渣中化学和微生物组分对Cr(VI)还原的贡献，研究沼渣添加下根际Cr的形态对植物累积的影响，揭示沼渣对铬在土壤-植物中迁移转化的调控机理，为重金属污染修复及废弃物资源利用提供科学依据。

铬(Cr)污染是我国重金属土壤污染的重点治理对象，如何将高毒性的Cr(VI)经济、快速地还原成毒性较小的Cr(III)是土壤铬污染修复研究的难点。沼渣是有机废弃物厌氧发酵产沼气后剩余的固型部分，现阶段主要作为有机肥使用，其特有的强还原性及丰富微生物使其成为铬污染土壤修复的潜在有机材料。因此，研究沼渣对土壤Cr迁移转化的影响，分析其作用机理，对土壤污染修复及废弃物资源利用具有重要意义。本项目以牛粪沼渣为添加材料，以Cr污染土壤为研究对象，采用根箱盆栽试验，结合高通量测序，研究沼渣添加下根际Cr的形态对植物累积的影响。结果表明：（1）添加沼渣可以减轻Cr对小白菜和小麦生长的毒性，添加量为每千克干土100g沼渣的效果最显著，与未添加沼渣（对照）相比，Cr有效性降低了18%-37%。沼渣添加处理的根际有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、有效钾含量均明显高于对照，其含量随沼渣量的增加而增加，表现为显著的根际效应（根际>近根际>非根际），土壤氧化还原电位Eh值和Cr(VI)浓度较对照分别降低了24.6%和30.8%。（2）沼渣添加可以改变Cr的形态，表现为可交换态Cr和碳酸盐结合态Cr减少，有机结合态和残留态Cr。沼渣添加提高了土壤的还原能力，微生物群落表现出明显的根际效应，表现为添加沼渣的土壤微生物量、基础呼吸、过氧化氢酶、脱氢酶活性、群落多样性以及Cr还原菌（单胞菌、芽孢杆菌和微杆菌）的丰度显著高于对照，且随沼渣量的增加而升高。（3）与灭菌土壤相比，未灭菌土壤的Cr(VI)显著降低，Cr(III)显著升高，表明土著微生物对Cr具有明显的还原作用。土壤有机质含量的增加、Eh的降低和微生物活性的升高是沼渣添加导致Cr生物有效性降低的主要原因，三者对于Cr变化的解释量为83.4%。本研究揭示了沼渣对铬在土壤-植物中迁移转化的调控机理，为重金属污染修复及废弃物资源利用提供科学依据。