低分子量有机酸对有机黏土固定土壤中多环芳烃的影响

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目前,我国农田土壤中多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)污染严重影响到作物安全以及周边人群的健康,因此亟需开发高效固定土壤中PAHs的修复材料。有机黏土是黏土矿物通过表面活性剂等有机试剂改性的,对污染物具有良好吸附效果的修复材料,被广泛应用于环境修复中。前期实验室研究表明3-巯基丙基三甲氧基硅烷改性蒙脱土(TMSP-SMF)和十六烷基三甲基溴化铵改性蒙脱土(CTAB-SMF)在水溶液中可以有效地吸附固定PAHs。那么探究有机黏土对污染土壤中PAHs的固定效果以及对种植作物的影响,对于评估有机黏土的应用潜力具有重大意义。本文选取了TMSP-SMF和CTAB-SMF两种有机黏土作为PAHs污染土壤的改良剂,探究其施用后对土壤理化性质、微生物群落的影响以及在污染土壤中对PAHs的固定和阻控植物吸收累积PAHs的影响。低分子量有机酸作为根际土壤中重要的组分,可以提高PAHs在土壤中的解吸以及生物有效性。那么,这两种过程的联合作用是否会有更好的修复效果。因此,探究了低分子量有机酸对CTAB-SMF固定土壤中PAHs的影响。主要研究结果如下:(1)使用插层法和接枝法对蒙脱石(SMF)进行改性,改性后的蒙脱石在一定程度上改善了SMF的结构。研究了施加有机黏土后土壤性质的变化,结果表明,TMSP-SMF和CTAB-SMF的使用未影响土壤的p H,但降低了土壤的渗透性;CTAB-SMF的施用增加了土壤细菌和真菌群落的丰富度和多样性,同时增加了土壤中变形菌门(Proteobacteria)及放线菌门(Actinomycetes)的相对丰度。(2)苋菜盆栽数据结果表明TMSP-SMF和CTAB-SMF可以有效地阻控苋菜对菲和芘的吸收。苋菜地上部分中,菲和芘的含量在TMSP-SMF处理组中比污染控制组中分别降低了20.1±9.5%和13.9±16.92%;根部的菲和芘的含量降低了16.7±6.62%和21.2±13.3%;苋菜地上部分中,菲和芘的含量在CTAB-SMF处理中比污染控制组降低了47.0±8.7%和44.3±7.0%,根部菲和芘的含量降低了59.1±4.7%和60.0±8.1%。土壤中添加2.5%TMSP-SMF和CTAB-SMF在一定程度上减少了植物体内对PAHs的累积。(3)TMSP-SMF和CTAB-SMF的施用有效固定了土壤中PAHs,降低了PAHs的生物有效性,因此缓解了PAHs对植物的氧化应激反应。在TMSP-SMF和CTAB-SMF处理组中苋菜体内SOD活性比污染控制组分别下降了48.29±15.80%和49.72±13.82%;POD活性分别下降了38.86±10.78%和49.27±23.85%;MDA活性分别下降了32.31±14.36%和53.60±11.45%;PPO活性分别降低了37.64±19.22%、46.26±16.02%。研究结果显示,TMSP-SMF和CTAB-SMF可以作为PAHs污染农田土壤的修复剂,其中CTAB-SMF效果更好,有望应用于PAHs污染农田的修复。(4)以菲为污染物代表,草酸为低分子量有机酸的代表,采用批量解吸实验,研究了低分子有机酸对土壤中菲的解吸的作用机制以及对CTAB-SMF固定土壤中菲的生物有效性的影响。结果表明,100 mmol·L-1草酸和100 mmol·L-1柠檬酸增加了土壤中菲的解吸率以及溶液中金属离子和DOC的浓度。其主要原因是有机酸破坏了金属离子和土壤有机质与土壤矿物表面之间的“桥梁”,进而减少了有机质上菲的吸附位点,导致菲的解吸。微观世界实验结果表明,与无CTAB-SMF控制组相比,在草酸和CTAB-SMF共同作用下,菲在土壤中的生物有效性进一步降低。
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