污泥基生物炭强化紫花苜蓿修复PFOS污染红壤的调控机制与耦合效应

PFOS, frequently detected in natural soils, acts as one of the typical persistent organic pollutants around the world. PFOS contamination intensifies in the regions of red soil distribution in China. The study aims to select the red soil as the research target and explore the phytoremediation of PFOS polluted soils by using alfalfa. On the basis of the PFOS migration characteristics, the remediating mechanisms and plasticity responses of alfalfa will be investigated. In addition, the enhancement of sludge-derived biochar for the remediating processes will be discussed due to the massive generation of sanitary sludge. There are two crucial scientific issues for the study to be figured out, including the remediating mechanisms and plasticity responses of alfalfa and the enhancement of sludge-derived biochar for the remediating processes. The study is of great scientific and application benefits to the phytoremediation of PFOS contaminated soils and the recycling application of sludge in China.

全氟辛基磺酸及其盐类（PFOS）是目前世界上已发现的最难降解的有机污染物之一，在自然界土壤中被频繁检出。我国红壤分布区是典型的PFOS污染重灾区，本项目选取红壤为研究土壤类型，以紫花苜蓿为修复植物，选取污泥基生物炭为强化修复剂，拟在探究PFOS在土壤中迁移转化的规律，揭示紫花苜蓿在修复PFOS污染土壤过程中的关键作用机制，并分析植株在PFOS胁迫下的表型、光合、叶绿素荧光等可塑性响应规律，在此基础上研究污泥基生物炭对修复过程中植株生理生态、土壤污染风险的调控效应与机理。项目组拟解决两个关键科学问题：一是紫花苜蓿生理生态特征对PFOS污染土壤的可塑性响应机理及其对污染胁迫的耐受特征；二是污泥基生物炭对紫花苜蓿修复PFOS污染土壤的过程调控关键因素与协同修复优化平衡机制。本研究对发展适合我国红壤分布区的PFOS污染土壤的植物修复理论与污泥资源化具有重要的科学意义与应用价值。

基于PFOS污染红壤的严峻形势，本项目完成了紫花苜蓿用于修复PFOS污染土壤的综合研究，形成了苜蓿对土壤PFOS污染风险与污染效应的减量理论，并探究了PFOS污染胁迫对苜蓿光合作用、生物量等生理特性的抑制作用，筛选出对PFOS具有高效吸附性污泥基生物炭，探索了其吸附动力学热力学，并进一步揭示了污泥基生物炭对PFOS污染土壤的碳排放潜力及生物学性质的影响。主要研究内容与结论包括：（1）考察了不同剂量PFOS污染对红壤微生态特征（土壤呼吸强度、微生物群落、土壤酶活性、养分循环）的影响及作用机制，系统分析了PFOS影响土壤本体特征的主要过程及限速因子，研究发现PFOS污染加速了红壤中活性有机碳的消耗，减少了土壤无机碳存储。研究表明PFOS长期污染对土壤生态系统产生不良影响，显著降低了土壤微生物活性，改变了土壤微生物群落结构；（2）研究了PFOS在土壤团聚体间的迁移转化机理，发现随团聚体粒径减小，PFOS含量并非呈线性变化，研究证明有机碳及铁氧化物是调控团聚体富集PFOS的主要因子；（3）阐述了紫花苜蓿生理特征对修复过程的响应机制，研究了不同污染程度条件下，植物地下、地上部分的PFOS含量，评价紫花苜蓿对PFOS富集及转运作用强弱，发现紫花苜蓿在具有良好的富集作用的同时表现出较高的从根系向地上部分的转运能力；（4）研究了PFOS对土壤碳库的动态影响，研究发现在低浓度PFOS及相关全氟化合物（PFOA、PFBS等）污染下，短期内土壤碳排放速率依然显著提升；（5）针对PFOS的新型替代品PFBS开展了降解研究，发现碘离子介导下紫外/亚硫酸盐体系可高效降解PFBS。本项目的研究成果为自然环境中多手段联合去除土壤中全氟化合物提供了技术支撑和理论基础。