淀粉稳定化纳米零价铁修复Cr（Ⅵ）污染土壤的可行性及其生物效应研究

作     者：郑芳媛 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙玉焕

授予年度：2020年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 120405[管理学-土地资源管理] 0702[理学-物理学] 

主      题：Cr(Ⅵ)土壤污染 纳米零价铁 生物炭 腐殖酸 生物效应 

摘      要：纳米修复材料在污染环境治理中具有广泛应用前景,其中纳米零价铁(nZVI)是一种常用修复材料。普通纳米零价铁(B-nZVI)易聚集成团和氧化变质等不稳定性,影响了污染物的去除效率,所以稳定化nZVI的研究倍受关注。由于nZVI的活泼性和迁移性,进入土壤中nZVI的迁移转化和生物效应也引起了学者们的关注。本研究通过Cr(VI)污染土壤修复试验,研究淀粉稳定化纳米零价铁(S-nZVI)投加量、土壤含水率、反应时间对土壤中Cr(VI)的去除效果,并比较S-nZVI和B-nZVI联合生物炭/腐殖酸对Cr(VI)污染土壤修复效果的差异。通过植物盆栽实验,研究B-nZVI和S-nZVI联合生物炭/腐殖酸修复Cr(VI)污染土壤时对植物生长、生理生化和土壤微生物的影响及作用机制。本研究的主要结果为:(1)Cr(VI)污染土壤修复试验结果表明,S-nZVI和B-nZVI均能有效地从土壤中去除Cr(VI),而且在高剂量下S-nZVI的作用更为显著(P0.05)。含水率和反应时间的增加均显著的增强了S-nZVI对Cr(VI)的去除效果,在60天时投加3.0 g/kg S-nZVI、70%含水率的处理对250 mg/kg Cr(VI)污染土壤的去除率可达90%。生物炭或腐殖酸的联合应用进一步增强了2种nZVI的修复效果,但腐殖酸(HA)增加了土壤中有效Fe和有效Cr的利用率。考虑到Cr(VI)的去除效果和Fe的释放对植物的影响,100 mg/kg的B-nZVI或S-nZVI与生物炭的结合是一种较为理想的修复策略。Cr(VI)污染土壤修复试验结果表明,nZVI类型、nZVI投加剂量、土壤含水率以及培养天数是Cr(VI)污染修复效果的影响因素。(2)植物生长试验结果表明,两种剂量的B-nZVI都没有抑制甚至促进绿豆的生长,而1000 mg/kg的S-nZVI具有很高的植物毒性。投加B-nZVI和S-nZVI处理的植物地上部分和地下部分Cr含量均明显降低,含量约减少50%。与对照相比,B-nZVI和S-nZVI处理的植物根中Fe含量在高剂量nZVI作用下显著增多。TEM结果显示在暴露于S-nZVI的根细胞中观察到严重的损伤,例如溶酶、细胞质收缩以及细胞膜破裂,但所有幼苗中铁含量都在正常范围内(60至300mg/kg)。B-nZVI和S-nZVI对植物的叶绿素荧光效应表现出显著性差异,高剂量的S-nZVI导致植物PSII的作用中心失活和电子的传递受到限制,叶片光合结构受到破坏。且高剂量S-nZVI处理的叶绿素含量显著降低,细胞叶绿体膨大,叶绿体内的淀粉粒明显,其淀粉粒的体积增大和数量增多,说明S-nZVI导致光合器官的破坏和光合作用的降低。(3)研究发现,nZVI的微生物效应与nZVI的类型、nZVI的剂量以及Fe的积累量有关。B-nZVI和S-nZVI对微生物的效应表现出显著性差异。B-nZVI能够促进土壤过氧化氢酶和磷酸酶活性,而S-nZVI对过氧化氢酶起抑制作用。生物炭与腐殖酸均能促进酶活性的增强。与其它处理相比,添加1000 mg/kg S-nZVI的处理群落组成比例发生明显变化,γ-变形菌显著增多,α-变形菌和放线菌的相对丰度则相对减少。放线菌减少不利于土壤营养物质转化,间接地不利于植物营养物质的吸收与生长,同时高剂量的S-nZVI会对根部造成严重损害直接干扰植物养分的吸收和平衡,进而S-nZVI可能会导致植物营养缺乏,并干扰叶绿素的生物合成和及其光合作用,最终抑制植物生长。