低温电阻加热对土壤多环芳烃去除和细菌群落的影响_张晨琛.pdf

文章栏目：土壤污染防治DOI10.12030/j.cjee.202302011中图分类号X53文献标识码A张晨琛,杨柳青,韩自玉,等.低温电阻加热对土壤多环芳烃去除和细菌群落的影响J.环境工程学报，2023,17(6):1937-1946.ZHANGChenchen,YANGLiuqing,HANZiyu,etal.Effectsoflow-temperatureelectricalresistanceheatingonsoilpolycyclicaromatichydrocarbonsremovalandmicroorganismsJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):1937-1946.低温电阻加热对土壤多环芳烃去除和细菌群落的影响张晨琛1，2，杨柳青1，韩自玉3，李烜桢4，焦文涛1，1.中国科学院生态环境研究中心，土壤环境科学与技术实验室，北京100085；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京100049；3.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心，北京100012；4.河南农业大学林学院，郑州450002摘要针对电阻加热技术修复多环芳烃污染土壤存在能耗高、降低土壤功能性的问题，采用低温条件(80)的电阻加热以降低能耗、减少对土壤肥力和细菌群落的影响。利用自主研制的电阻加热装置，探究低温加热对土壤多环芳烃的去除效果、对土壤理化性质和细菌群落的影响。结果表明，在 80 加热 180min 条件下，电阻加热对土壤多环芳烃的去除率为 21.8%，苯并 a 蒽、苯并 b 荧蒽、苯并 k 荧蒽、二苯并 a,h 蒽、茚并1,2,3-cd 芘和萘的质量分数均低于土壤环境质量建设用地污染风险管控标准(试行)(GB36600-2018)第一类用地筛选值；电阻加热处理后细菌丰度增幅达 108%，提高了群落丰富度和多样性，富集了多环芳烃降解菌和功能基因，将厚壁菌门 PAHs 降解菌的相对丰度放大了近 10 倍，提高了编码 4,5-二羟基邻苯二甲酸酯脱羧酶(K04102)和 1,4-二羟基-2-萘甲酰-CoA 硫酯酶(K12073)的功能基因预测丰度，且不会对土壤肥力水平造成负面影响。本研究结果可为低温电阻加热在多环芳烃污染土壤修复中的应用提供参考。关键词有机污染土壤；多环芳烃；低温电阻加热；细菌群落构成；多环芳烃降解功能基因我国城市化进程飞速发展和产业结构改革促使传统化工企业改型，导致城市内及周边存在大量遗留的工业污染场地1。多环芳烃(PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs)是焦化场地的特征污染物，具有强致癌性、致突变性和致畸性2，严重威胁生态环境和人体健康。PAHs 污染土壤的物理修复技术中，电阻加热技术(electricalresistanceheating,ERH)因修复效率高、对场地异质结构适应性高而被广泛应用3。ERH 处理温度最高约为 1001203-4，该温度下能耗高，土壤微生物生长和活性受限3,5，不利于土壤后续利用。因此，需要降低 ERH 加热温度，减小对土壤功能性的损害。据统计，1988-2021 年全球土壤热修复项目中，有 57.2%的项目采用 ERH 技术6，其中低温ERH 应用广泛。3550 的低温 ERH 用于与原位生物修复、零价铁(Z)还原等技术联合修复氯化溶剂污染源区，研究结果显示升温提高降解反应速率、增大污染物溶解度并促进挥发作用，将温度从 5 提高至 60，重质非水相有机污染物的质量转移率提高了 45 倍，联合修复能够提升收稿日期：2023-02-03；录用日期：2023-04-12基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFC1802106)；国家自然科学基金资助项目(42277011)第一作者：张晨琛(1998)，女，硕士研究生，C；通信作者：焦文涛(1978)，男，博士，研究员，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074修复效率、提高修复效果、降低成本7。常规加热温度由 20 升至 80 过程中，土壤细菌总量和污染物溶解度大幅增加，土壤优势菌群发生改变，污染物的生物利用度和降解率提高，60 下总PAHs 去除率比 20 下提高了 21.01%，75 下萘的溶解度比 20 下增加约 10 倍8-11；恒定电场强度、较长时间尺度下(180min)土壤热处理影响微生物群落，使其多样性、均匀度降低，并改变优势种，但恒定电场强度下加热温度波动大，无法研究恒定加热温度对微生物的影响5,12-13。对于低温 ERH 在恒定温度下处理 PAHs 污染土壤过程中对土壤肥力和细菌群落结构的影响研究较缺乏。本研究以 PAHs 原位污染土壤为研究对象，拟采用实验室自制电阻加热装置研究低温ERH(80)处理 180min 下污染土壤 PAHs 的去除率和对土壤理化性质、土壤细菌数量、群落结构和 PAHs 降解菌丰度的影响，研究结果可为多环芳烃污染土壤的电阻加热修复提供理论指导。1材料与方法1.1实验原料实验土壤采自济南钢铁厂焦化污染场地表层土壤(050cm)，低温条件下(4)运至实验室，去除石块、树枝后取 50g 封存于自封袋内，作为未加热处理的土壤样品(CK)，存于20 冰箱，用于测定微生物指标。将剩余土壤风干、过筛，经混料机混匀 24h，分取部分待测土壤理化性质(pH、总碳、总氮、有机碳、全磷和全钾)和 PAHs 质量分数。供试土壤的基本性质为，pH8.36，总碳质量分数 1.74%，总氮质量分数 0.07%，有机碳质量分数 0.86%，全磷质量分数 0.06%，全钾质量分数 0.80%，土壤16PAHs 质量分数 28.3mgkg1。1.2实验试剂与仪器2-氟联苯标准品(C12H9F,99.7%)、对三联苯标准品(C18H14,99.6%)、氘代苊标准品(C12D10,99.0%)、氘代屈标准品(C18D12,99.0%)、萘-d8 标准品(C10D8,99.9%)、二萘嵌苯-d12 标准品(C20D12,99.4%)、菲-d10 标准品(C14D10,98.6%)；氯化钠(NaCl,分析纯)；正己烷(C6H14)、二氯甲烷(CH2Cl2)、丙酮(CH3COCH)均为色谱纯。自制电阻加热小试装置(图 1)由多路平行的电阻加热筒体、电极片、抽提装置、补水装置和集中控制屏等部分组成；气相色谱质谱联用仪(7890-7000B，美国安捷伦科技公司)；加速溶剂萃取仪(DionexASE350，赛默飞世尔科技有限公司)；冷冻干燥机(FD-1C-50，北京博医康实验仪器有限公司)；混匀机(SCI-FS，美国赛洛捷克仪器有限公司)；实时荧光定量仪(LightCycler480II，罗氏诊断产品(上海)有限公司)；微量分光光度计(NanoDrop2000，赛默飞世尔科技有限公司)。图1电阻加热小试装置12Fig.1Schematicofthelab-scaleERHequipment1938环境工程学报第17卷1.3实验方法实验共 2 个处理，未加热处理(CK)和电阻加热处理(ERH)，每个处理设置 3 个重复。ERH 处理为将土壤(800g 风干土调至 30%含水率和 0.5%含盐率)置于自制反应罐中，电场强度为 6Vcm1，加热温度 80，加热时间 180min(包括加热前 10min 由室温升至 80 的升温阶段和之后 80 的恒温阶段，不包括降温阶段)，加热期间不补水。加热处理结束后，迅速取样作为 ERH 处理后的土壤样品。首先，分取 10g 土壤于离心管中，储存于20 冰箱，用于提取土壤 DNA；另取 100g 土壤，风干后用于测定土壤理化性质；再取 50g土壤，冷冻干燥处理 24h 后储存于 4 冰箱，待测 PAHs 质量分数。1.4分析方法1)土壤理化性质分析方法。采用电位法14测定土壤 pH；采用元素分析法15测定土壤总氮和总碳质量分数；采用重铬酸钾分光光度法16测定有机碳质量分数；采用钼锑抗比色法17测定全磷质量分数；采用火焰光度法18测定全钾质量分数。2)土壤 PAHs 质量分数分析。采用加速溶剂萃取(ASE350)提取土样中的 PAHs，采用气相色谱质谱联用仪(7890-7000B)定量分析。仪器配备 DB-5MS 色谱柱(30m0.25mm0.25m)；色谱柱升温程序19：以初始值 80 保持 2min，再以 20min1速度升至 180 并保持 5min，后以20min1速度升至 290 并保持 6min；载气：高纯氦气，载气流速：1mLmin1；进样方式：不分流；进样量：1.0L。3)土壤 DNA 提取及纯化：样品 DNA 提取及纯化按照 OmegaMag-BindSoilDNAKit(M5635-02)说明书进行操作。DNA 纯度和浓度利用 NanoDropND2000 微量分光光度计检测。收集的DNA 储存于20 冰箱，用于实时定量 PCR 和高通量测序。4)16SrRNA 基因定量和高通量测序：16SrRNA 基因定量和 V3V4 区高通量测序分别在实时荧光定量 PCR 仪和 NovcaSeqPE250 测序平台进行，使用引物 338F(5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAR-3)和 806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)20。序列分析使用 QIIME221分析平台，使用 DADA2 去除引物、质量过滤、去噪、拼接以及去除嵌合体22获得特征序列 ASVs23，最后采用 Fasttree224软件构建系统发育树。5)数据分析方法。PAHs 去除率计算如式(1)所示。R=c0ctc0100%(1)c0ct式中：R 为污染物(PAHs)的去除率，%；为污染物(PAHs)的初始质量分数，mgkg1；为加热处理 t 时间后污染物(PAHs)的残留质量分数，mgkg1。2结果与讨论2.1电阻加热对多环芳烃的去除率低温热处理前后土壤中 PAHs 质量分数如图 2 所示。结果表明，处理后土壤中总 PAHs 质量分数由 28.3mgkg1降至 22.1mgkg1。其中，原始土壤中质量分数最高的 Benzo(k)fluoranthene(BkF)质量分数由 4.46mgkg1降至 2.79mgkg1。处理后苯并 a 蒽、苯并 b 荧蒽、苯并 k 荧蒽、二苯并 a,h 蒽、茚并 1,2,3-cd 芘和萘的质量分数均低于土壤环境质量建设用地污染风险管控标准(试行)(GB36600-2018)25第一类用地筛选值。低温热处理下总 PAHs 的去除率为 21.8%，Flt,Pyr,BbF 和 BkF 的去除率较高，为 36%54%，其余 12 种 PAHs 去除率均低于 18%。ERH 对 Flt(4 环)、Pyr(4 环)、BbF(5 环)和 BkF(5 环)的去除率高可能是由于这 4 种 PAHs 在原始土壤中质量分数高。有研究显示，土壤中 PAHs 去除率与其质量第6期张晨琛等：低温电阻加热对土壤多环芳烃去除和细菌群落的影响1939分数极显著相关26。此外，PAHs 去除率还与分子量有关。低温热处理下不同环数 PAHs 的去除具有规律性，23 环 PAHs 的去除率低于45 环 PAHs，6 环 PAHs 去 除 率 最 低。FALCIGLIA 等27研究表明，PAHs 在加热条件下的去除与污染物沸点、极性和分子结构密切相关。由于高分子量 PAHs(HMW-PAHs,46 环 PAHs，共 10 种28)具有复杂结构而非线 性 PAHs，较 低 分 子 量 PAHs(LMW-PAHs,23 环 PAHs，共 6 种)沸点高，热化学性质更稳 定，更 难 加 热 挥 发 和 生 物 降 解29，6 环PAHs 沸点最高，分子结构最复杂，因此在80 下去除率最低；但 23 环 PAHs