生物炭对矿区土壤中异化金属还原菌溶矿作用的影响机制

Biochar is a prospective absorbent for the remediation of heavy metal pollution in mine soils.However,the amendment of biochar will cause the change of microbial communities and their biochemical processes. Dissimilatory metal reducing-microorganism (DMRB) can lead to the mobilization and redistribution of Fe/Mn ion and the associated heavy metal ions through the reductive dissolution of soil minerals, so the change of the growth and the performance of DMRB in biochar amended soils has profound influence for the remediation of heavy metal pollution, which is the overall object of this research. At the first stage of this research,a microcosm study is firstly conducted to investigate the mechanism of the influence of biochar amendment on the typical DMRBs and their performance of Fe(Ⅲ)-reduction.At the second stage based on a flow-cell equipment, the object is to reveal the influence of the dynamical change of biogeochemical factors on the microbial community structure particularly the dynamics of DMRBs, and to investigate the response of biological mineral reductive dissolution process to the interaction between biochar and soils.At the third stage,the column experiment is conducted to study the distribution of DMRBs and their performance on the metal reductive mobilization in the mine soils with biochar amendment under in-situ environmental condition, and to explore the effect of biological reductive dissolution of soil minerals on the retention of heavy metal ions by biochar amendment.This study will provide useful information for the application of biochar amendment for the remediation of heavy metal contamination in mining zones.

作为一种高效的吸附材料，生物炭在矿区土壤重金属污染修复领域具有良好的应用前景。但是，生物炭也会引起微生物群落结构及其生物地球化学过程的改变，从而影响生物炭对重金属的固持效果。异化金属还原菌可以通过溶矿作用引起土壤中金属离子的迁移转化，因而，生物炭对于异化金属还原菌生长代谢的影响将对矿区土壤重金属污染防治产生重要影响。本研究将通过微宇宙模拟体系研究生物炭对于典型异化金属还原菌生长及其还原溶解铁（氢）氧化物功能的影响机制，并运用Flow-cell模拟装置探明生物地球化学因子动态变化对微生物群落结构，特别是异化金属还原菌群动态的影响，揭示生物炭与土壤动态交互作用下异化金属还原菌溶矿作用的响应机制。最后，开展野外土柱实验，探明生物炭修复矿区土壤过程中异化金属还原菌分布与金属还原运移机制的变化，及其对生物炭固持重金属污染效率的影响作用，为生物炭在矿区土壤重金属污染修复领域的应用提供重要理论指导。

生物炭在矿区土壤重金属污染修复领域具有良好的应用前景。本项目围绕生物炭对与重金属运移密切相关的异化金属还原菌溶矿作用的影响机制展开研究。主要结果如下：1）生物炭能够促进模式还原菌——希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）生长，尤其是在酸性环境或铜胁迫条件下。无论是铁矿物（无定形铁矿物/针铁矿）体系还是土壤（红壤/黄壤）体系中，尽管生物炭能够促进S.MR-1生长，促进铁还原，但是生物炭会吸附亚铁离子，溶液中亚铁浓度反而随着生物炭添加量的增加而降低。 2）当土壤厌氧培养体系中加入铜污染，生物炭会降低游离铜浓度，减轻铜对S.MR-1的生理胁迫，反而促进亚铁离子还原溶出；当加入铁污染，生物炭会缓冲体系pH的急剧降低，促进S.MR-1生长，增加液相游离态和固相吸附态亚铁离子浓度；当输入铜铁复合污染，生物炭处理同样增加S.MR-1丰度及其铁还原活性，升高了液相亚铁离子和吸附态亚铁浓度。3）在重金属污染老化土壤厌氧培养体系中，生物炭会降低重金属胁迫，从而改变土壤微生物群落结构，增加S.MR-1丰度，进而促进铁还原过程；生物炭会降低液相亚铁离子浓度，但增加固相吸附态亚铁含量，并促进土壤上铁向更稳定形态转变；对土壤上重金属污染物锌/镍/钴而言，生物炭添加会改变铁还原对铁矿物上吸附的锌/镍/钴的活化释放过程，促进固相上锌/镍/钴的再分布，降低锌/镍/钴迁移性。4）基于矿区土壤和土著微生物菌落构建土柱体系，研究结果与实验室相关数据相一致：在8个月内，生物炭始终保持对间隙水亚铁离子浓度的降低作用；随着剖面深度变化，间隙水始终维持低亚铁浓度。5）田间应用实验结果表明：生物炭输入镉污染稻田，会增加水稻生物量和籽粒产量，降低土壤镉有效态含量，减少水稻镉积累，同时也会降低土壤酸可提取态亚铁含量，促使土壤中铁重新分布，并改变土壤微生物群落结构，增加铁还原相关的δ变形菌纲丰度。本项目研究成果初步揭示了生物炭对矿区土壤中异化金属还原菌溶矿作用的影响机制，解析了生物炭对土壤环境中铁等金属元素运移过程的影响，探讨了生物炭输入后土壤微生物群落结构尤其是铁还原功能微生物丰度的变化规律，为生物炭应用于矿区土壤重金属污染修复提供科学参考。