土壤中有机复合污染物微生物组转化机制与调控原理：进展与展望

实际污染土壤中有机污染物通常以复合污染状态存在,有机复合污染物的微生物降解过程及其作用机制显得更为复杂。土壤微生物类群多样,具有丰富的功能多样性。而有机复合污染物的降解通常由微生物组操控,通过微生物群落代谢网络完成污染物的去除。近年来,研究者逐渐关注有机复合污染土壤中微生物群落适应机制-微生物组转化过程-合成微生物组设计-原位微生物组修复等方面的研究,对认知污染土壤治理和修复具有重要的科学意义。本文以具有代谢协同性及功能互补性的微生物组为切入点,系统阐述土壤中有机复合污染物的微生物组转化机制与调控原理等,探讨微生物组在复合污染土壤绿色可持续原位生物修复中的发展前景。     

场地土壤-地下水污染物多介质界面过程与调控研究进展与展望

近年来，中国重点行业场地土壤-地下水重金属和有机污染物污染十分突出，已成为土壤环境治理修复亟待解决的重要问题之一。多介质界面是控制场地系统复合污染物环境行为的关键。因此，开展场地土壤与地下水污染物多介质界面过程与调控机制研究，对于认知场地污染成因与治理修复具有重要的科学意义。系统分析了国内外场地土壤-地下水污染物多介质界面过程与调控研究进展与发展趋势，指出了目前该研究领域中存在的科学与技术问题，提出了我国场地土壤-地下水污染物多介质界面过程与调控原理的研究思路与重点方向，以推动我国场地土壤和地下水环境科学理论与技术的发展。     

砷-重金属复合污染土壤稳定化材料研究进展

我国土壤重金属污染现状十分严峻,多金属复合污染,尤其是砷-重金属复合污染普遍存在,治理难度大。土壤中累积的多金属污染物严重威胁土壤健康、农产品安全与人居环境安全。因此,多金属复合污染土壤修复是土壤污染治理和风险防控的重要命题。固化/稳定化技术是我国最为广泛使用的污染土壤修复技术,通过投加稳定化材料,降低多金属污染物在土壤中的可迁移性与生物有效性,从而实现多金属污染物暴露途径的有效阻断。对砷-重金属型复合污染土壤的稳定化作用机理进行了详细阐述并梳理了应对砷-重金属复合污染土壤的新型修复材料。砷与其它重金属的协同稳定化主要通过表面络合与沉淀作用实现。富含铁、钙元素的材料对这种类型土壤的稳定化具有优异的作用效果。砷-重金属协同稳定化材料的修复效果取决于稳定化材料的类型、复合污染物的种类、材料施用量、土壤条件(如pH,氧化还原电位、阳离子交换量等),其中pH和土壤可溶性有机质含量对稳定化效果有显著的影响。本文发现,功能化生物质复合材料、工业固废基材料、改性复配天然矿物等绿色修复材料是近年来研究的热点。未来的研究亟须考虑砷与重金属污染物协同稳定剂的长效性,以及通过大田试验验证新型材料的应用潜能。     

有机污染物根际胁迫及根际修复研究进展

根际环境及根际微生物是植物降解有毒有害有机污染物的基础。污染土壤植物修复的纵深研究产生了根际修复新技术。通过总结近20年来有机污染物胁迫的根际效应的研究,探讨了有机物污染士壤根际修复的可能性,为加强有机污染物在环境中的迁移、调控研究及土壤有机物污染的原位修复提供有利信息。     

纳米材料在污染土壤修复及污水净化中应用前景探讨

近年来,寻求环境友好型的污染土壤与污水净化高效修复剂成为国内外环境科学研究新的热点。随着环境分子科学的快速发展,纳米材料在污染环境修复研究中的应用越来越受到重视,纳米颗粒由于具有巨大的比表面积和微界面特征,可以强化多种界面反应,如对重金属离子及有机污染物的表面吸附、专性吸附及增强的氧化-还原反应等,在重金属及有机污染物等污染土壤及污水治理中有望发挥重要作用。本文综述了目前国内外利用纳米材料进行污染土壤修复及污水净化的应用研究进展,并展望了该研究领域的不足及研究前景,以期为该研究领域的进一步深入拓展新的思路。     

阳离子表面活性剂增强固定土壤中的苯酚和对硝基苯酚

当前,对有机物污染土壤进行修复成为环境科学研究热点之一[1],常用的修复方法有化学修复、生物修复、化学与生物相结合的修复;但迄今仍没有经济有效的有机污染土壤修复的实用技术.因此,利用在土壤中注入阳离子表面活性剂形成吸附区,截留有机污染物,阻止有机物迁移,并对固定污染物进行修复,无论对土壤及地下水有机物污染防治,还是生产优质农产品都具有现实意义.近年来,相关研究主要集中在截留非极性有机污染物[2～7],而对溶解度较大且易于迁移的极性有机物截留研究较少;并且认为表面活性剂增强土壤截留有机物的机理由土壤表观有机碳含量增大所致.对硝基苯酚、苯酚是环境中优先控制有机物,它们是重要化工原料,也是农药的降解产物.本文以极性化合物对硝基苯酚、苯酚为目标污染物,探讨阳离子表面活性剂增强固定作用及机理,为有效防治土壤有机污染提供理论依据.     

污染土壤植物修复技术研究进展

综述了国内外污染土壤植物修复技术研究进展 ,植物修复是利用某些植物对土壤重金属的超量吸收挥发以及对土壤中有机污染物降解等特殊功能 ,并与根际微生物协同作用 ,原位修复污染土壤的方法 ,费用低 ,效果显著 ,环境友好 ,是极具发展潜力的“绿色产业”。     

中碱性镉污染农田原位钝化修复材料研究进展

农田土壤重金属污染威胁人类健康,其修复成为环境领域的研究热点。钝化修复因具有修复速率快、成本低、操作简单、不影响农业生产等特点,广泛应用于大面积重金属污染农田尤其是酸性农田修复治理中。相应,针对酸性重金属污染土壤的钝化修复材料也得到了广泛研究,然而,针对中碱性重金属污染土壤的钝化材料研究相对较少。从无机类、有机类以及复合型3种类型的修复材料概述了钝化修复材料在中碱性Cd污染土壤中的研究进展。总结了中碱性重金属污染土壤钝化修复材料以选用复合型材料为宜,且以钙镁磷肥、椰壳生物炭、油菜秸秆生物炭、腐殖酸形成有机-无机复合效果较好且经济环保。其次,从钝化剂的合理施用、风险评估等方面提出展望,以期为中碱性农田土壤重金属污染修复提供参考。     

不同间种模式对作物富集重金属的效率及风险评估

环江县是广西粮食主产区,该地区重金属污染严重,但国内对于重金属复合污染的修复技术缺乏。为了降低复合污染土壤上种植的农作物体内重金属的含量,越来越多的人开始研究不同种植模式对作物吸收重金属的影响,间种模式可以调节田间养分利用,减少植物对重金属的吸收,对土壤修复及产品改良有效。以矿区污染农田为背景,供试土壤为铅锌硫铁矿山的尾砂坝坍塌污染的土壤,进行了蜈蚣草- 玉米、蜈蚣草- 大豆、大豆- 玉米、甘蔗- 大豆的间种试验,试验采用随机区组设计,试验时间1 年,用原子吸收光谱法和石墨炉原子吸收光谱法测定重金属含量,通过对比分析单种与间种作物各部位中的Zn、As、Cd、Pb 的含量,探究间种模式对作物重金属的富集量和作物安全性的影响。结果表明,作物重金属含量变化受间种影响明显,玉米- 大豆间种模式比玉米单种籽粒中Pb 的含量下降38%。作物不同部位对重金属的富集能力也不同,As 在大豆体内的分布规律为叶> 茎> 根,而Pb 则为根> 叶> 茎。综上所述,在复合污染土壤中,间种可明显改善重金属对植物的污染,这些结果肯定了间作是重金属污染土壤修复的一个可能切入点。但在试验区种植粮食作物存在较大的健康风险,污染土壤还需进一步治理。     

污染土壤修复中表面活性剂的应用研究进展

介绍了表面活性剂的种类及主要特征,重点评述了表面活性剂在有机污染、重金属污染和复合污染土壤修复中的国内外最新研究进展,指出了表面活性剂应用于土壤修复中的发展趋势和应关注的问题。     

镉砷复合污染土壤钝化材料研究进展

我国土壤重金属污染严重,尤以镉砷污染最为突出。镉砷复合污染土壤中各元素间表现为拮抗和协同等作用,其有效态含量受土壤pH变化和氧化还原电位等的影响,增加了镉砷复合污染土壤的修复难度,严重威胁我国粮食安全。综述了常见的镉砷复合污染土壤钝化修复材料的优缺点及其对镉砷复合污染土壤钝化修复效果和机理。常见的钝化材料有生物质炭类、磷酸盐类、金属及其氧化物类、含硅类材料、黏土矿物类、有机肥类和新型材料等。有大量研究表明生物质炭材料对镉有良好的吸附效果,为了同时钝化镉砷,通常使用改性生物质炭或与其他材料配合施用,常见的改性/配施材料有金属及其氧化物、黏土矿物、家禽粪便、复合肥等,其钝化反应机制包括离子交换、共沉淀和表面络合等;磷酸盐类主要与铁盐或铁粉配施,通过吸附和同晶替代钝化镉、点位竞争机制钝化砷;金属及其氧化物类多与生物质炭、石灰和黏土矿物等配施,通过专性吸附和共沉淀钝化镉、氧化还原和络合作用等钝化砷;铁硅肥、硅钙肥、硅钾肥等通过共沉淀钝化镉、专性吸附和点位竞争机制钝化砷;黏土矿物中多施用海泡石,主要与金属氧化物和钙镁磷肥等配施,通过离子交换、沉淀和络合反应钝化镉砷;污泥和动物粪便中含有腐殖化程度较高的有机质,主要通过吸附、氧化还原和有机络合以及微生物作用钝化镉砷;此外,富含巯基和氨基、谷聚多以及富含硫和硒的物质也可有效钝化镉砷。本文对镉砷复合污染土壤钝化修复材料进行总结,归纳了镉砷钝化材料特性,以期为镉砷复合污染土壤修复提供一定的指导。     

皂角苷增强洗脱复合污染土壤中多环芳烃和重金属的作用及机理

通过增溶实验和土壤洗脱实验,研究了一种生物表面活性剂——皂角苷（saponin）对多环芳烃-重金属复合污染土壤的洗脱作用及机理。结果表明,皂角苷对菲、芘等多环芳烃有极强的增溶作用,当皂角苷浓度为0.04%时,菲、芘在液相中的表观溶解度分别增大了约22倍和128倍,因而皂角苷能显著增强多环芳烃污染土壤中菲、芘的洗脱,洗脱效率最大分别可达84.1%和81.4%,增大了约2倍和17倍。皂角苷可与重金属离子形成水溶性的络合物,从而增强洗脱重金属污染土壤中的Zn^2＋和Cd^2＋,在皂角苷浓度为0.4%时,Zn^2＋、Cd^2＋的洗脱效率分别可达93.0%和79.4%,增大了约75倍和8倍。皂角苷可同时洗脱多环芳烃-重金属复合污染土壤中的菲、芘和Zn^2＋、Cd^2＋,洗脱效率分别达87.6%、83.5%和92.3%、78.6%,重金属的存在略增大了皂角苷对菲、芘等多环芳烃的洗脱效率,但多环芳烃对Zn^2＋、Cd^2＋的洗脱效率没有明显影响。皂角苷可同时增强洗脱复合污染土壤中的多环芳烃和重金属,从而为多环芳烃-重金属复合污染土壤的修复奠定基础。     

黑麦草与施肥对石油-铅-镉复合污染土壤微生物活性的影响

随着工业和农业生产的发展,重金属、有毒有机物及其复合污染土壤日益增多,其修复问题在世界范围内是一项具有挑战性的任务。以砂质壤土为试验对象,模拟石油-铅-镉复合污染,共设置4个处理:(1)对照处理,复合污染土壤(CK);(2)不施肥处理,复合污染土壤+黑麦草(NF);(3)施氮肥处理,复合污染土壤+黑麦草+氮肥(F1);(4)施氮肥和磷肥处理,复合污染土壤+黑麦草+氮肥+磷肥(F2),研究种植黑麦草与施肥处理对石油-铅-镉复合污染土壤微生物活性的影响,以期为污染土壤修复及环境影响评价提供初步的理论基础。结果表明:黑麦草与施肥对复合污染土壤基础呼吸、微生物量碳均有促进作用,处理NF、F1和F2的土壤基础呼吸强度比对照处理CK最高分别增加约20.94%,24.41%,42.69%,其中施加氮、磷肥(F2)对土壤基础呼吸影响最显著;第10天时,处理NF、F1和F2土壤微生物量碳含量与对照相比分别增加约26.92%,127.43%,181.89%,施肥处理土壤微生物量碳含量显著高于不施肥处理;不同种类的酶活性对黑麦草与施肥的响应不尽相同,其中种植黑麦草与施肥均会抑制石油-铅-镉复合污染土壤中FDA水解酶活性,施加氮肥在一定时间内能较好地维持石油-铅-镉复合污染土壤内的脱氢酶活性,施肥能有效地提高并维持复合污染土壤中脲酶活性,而过氧化氢酶活性受黑麦草与施肥影响不显著。研究表明种植黑麦草配施氮、磷肥对土壤微生物基础呼吸、土壤微生物量碳及相关土壤酶活性均有增强作用,进而有利于促进土壤污染物的去除及土壤质量的改善。     

环境矿物材料在土壤环境修复中的应用研究进展

环境矿物材料(包括天然矿物及改性和人工合成矿物等材料)已经广泛应用到有机污染、重金属污染及病毒污染土壤中。本文在回顾环境矿物材料研究进展的基础上重点综述了环境矿物材料在修复重金属、有机污染物和病毒污染土壤中的应用。其中,重点论述了硅酸盐矿物、磷灰石、金属氧化物等天然矿物材料,以及改性和人工合成矿物材料在修复重金属污染土壤中的应用效果及其机理;同时阐述了硅酸盐矿物和金属氧化物在修复有机污染和病毒污染土壤中的应用效果及其机理;最后展望其主要研究方向。     

Interactive effects of Cd and PAHs on contaminants removal from co-contaminated soil planted with hyperaccumulator plant <Emphasis Type="Italic">Sedum alfredii</Emphasis>

Purpose  

Soil contamination by multiple organic and inorganic contaminants is common but its remediation by hyperaccumulator plants is rarely reported. The growth of a cadmium (Cd) hyperaccumulator Sedum alfredii and removal of contaminants from Cd and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) co-contaminated soil were reported in this study.     

Combined bioremediation of soil co-contaminated with cadmium and endosulfan by <Emphasis Type="Italic">Pleurotus eryngii</Emphasis> and <Emphasis Type="Italic">Coprinus comatus</Emphasis>

Purpose

The subjects of this study were to investigate the remediating potential of the co-cultivation of Pleurotus eryngii and Coprinus comatus on soil that is co-contaminated with heavy metal (cadmium (Cd)) and organic pollutant (endosulfan), and the effects of the co-cultivated mushrooms on soil biochemical indicators, such as laccase enzyme activity and bacterial counts.

Materials and methods

A pot experiment was conducted to investigate the combined bioremediation effects on co-contaminated soil. After the mature fruiting bodies were harvested from each pot, the biomass of mushrooms was recorded. In addition, bacterial counts and laccase enzyme activity in soil were determined. The content of Cd in mushrooms and soil was detected by the flame atomic absorption spectrometry (FAAS), and the variations of Cd fractions in soil were determined following the modified BCR sequential extraction procedure. Besides, the residual endosulfan in soil was detected by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS).

Results and discussion

The results indicated that co-cultivation of P. eryngii and C. comatus exerted the best remediation effect on the co-contaminated soil. The biomass of mushroom in the co-cultivated group (T group) was 1.57–13.20 and 19.75–56.64% higher than the group individually cultivated with P. eryngii (P group) or C. comatus (C group), respectively. The concentrations of Cd in the fruiting bodies of mushrooms were 1.83–3.06, 1.04–2.28, and 0.67–2.60 mg/kg in T, P, and C groups, respectively. Besides, the removal rates of endosulfan in all treatments exceeded 87%. The best bioremediation effect in T group might be caused by the mutual promotion of these two kinds of mushrooms.

Conclusions

The biomass of mushroom, laccase activity, bacterial counts, and Cd content in mushrooms were significantly enhanced, and the dissipation effect of endosulfan was slightly higher in the co-cultivated group than in the individually cultivated groups. In this study, the effect of co-cultivated macro fungi P. eryngii and C. comatus on the remediation of Cd and endosulfan co-contaminated soil was firstly reported, and the results are important for a better understanding of the co-remediation for co-contaminated soil.

     

固化/稳定化修复后土壤重金属稳定性及再活化研究进展

固化/稳定化技术是一种经济、有效、快捷的重金属污染主流修复技术,随着我国以风险管控为主导策略的土壤污染防治工作的推进,该技术正发挥着极其重要的作用。固化/稳定化技术处置后土壤中的重金属并未移除,存在再活化的风险。本文对固化/稳定化技术特点、修复效果评估方法、评价标准等进行了系统总结,概述了修复后重金属赋存形态、生物有效性、微观形态等特征,着重阐述了冻融、水环境和酸雨淋溶3类环境胁迫下重金属的再活化行为和影响因素。在此基础上,讨论了当前固化/稳定化修复后土壤和场地环境监管体系构建的现状、不足和发展需求,提出需注重修复后重金属环境行为、再活化定量化等研究方向。     

Bioremediation of cadmium-dichlorophen co-contaminated soil by spent <Emphasis Type="Italic">Lentinus edodes</Emphasis> substrate and its effects on microbial activity and biochemical properties of soil

Purpose

Soil contamination resulting from industrial and agricultural activities has caused high concerns in recent years. Compared with single pollutant, co-contaminants of heavy metal and organic pollutant in soil are quite complicated. The overall objective of this study was to evaluate the potential of spent Lentinus edodes substrate (SLS) as an organic amendment for bioremediation of cadmium (Cd) and dichlorophen (DCP) co-contaminated soil.

Materials and methods

Pot experiments were conducted to investigate the effect of SLS on the distribution of Cd and dissipation of DCP. The microbial counts and soil respiration rate were determined. The ligninolytic enzymes (manganese peroxidase and laccase) and soil enzymes (dehydrogenase, urease, and acid phosphatase) were analyzed. Variations of Cd fractions in soil were determined following the modified BCR sequential extraction procedure. DCP in soil was detected on a gas chromatography–mass spectrometry (Agilent 6890N GC–MS).

Results and discussion

Results showed that the addition of SLS or sterilized SLS (SSLS) could facilitate soil biological properties including microbial counts, respiration intensity, and soil enzyme activities compared to control soil. The HOAc extractable Cd decreased by 10.94–17.09 and 9.63–12.02 % in SLS and SSLS amended soil, respectively. As for the dissipation of DCP, the SSLS amended soil recorded 82.4–92.8 % while the SLS amended soil recorded 85.0–96.9 % compared to the non-amended soil (68.3–84.1 %). The presence of available residual nutrients in the substrate could promote the growth of indigenous microbes, which could contribute to the dissipation of DCP.

Conclusions

This study investigated the potential of SLS on the bioremediation of sites co-contaminated with Cd and DCP. The SLS-facilitated removal of soil DCP was due to SLS-promoted soil biological properties including the microbial numbers and soil respiration as well as the ligninolytic enzymes. The addition of SSLS and SLS resulted in a decrease of Cd extractability in soil, and significantly facilitated the activities of dehydrogenase, urease, and acid phosphatase. The results demonstrated the potential of SLS in ex situ bioremediation of soil co-contaminated with Cd and DCP, providing an attractive reusing option of this organic waste.

     

“十四五”土壤质量与食物安全前沿趋势与发展战略

土壤质量与食物安全和人体健康息息相关。土壤质量与食物安全这一分支学科作为"十四五"土壤科学发展战略重要的组成部分,致力于治理与改善耕地土壤质量以应对粮食安全危机。文献计量结果表明,与发达国家相比,中国在该领域的研究起步较晚,但近年呈现加速上升甚至有超越的趋势。随着气候及环境污染问题凸显,国际上的相关研究热点集中于环境监测、土地利用、施肥管理、污染修复(重金属、抗生素、有机农药和病原微生物)及可持续发展等方面。本学科以土壤质量、土壤污染和粮食安全为重点研究方向,通过与地理信息学、环境科学、应用数学、医学等学科的交叉融合,借助同位素源解析、生物地球化学循环、分子生物学等前沿性理论与技术,未来将解决区域土壤质量监测、养分质量管理、食物安全与人体健康风险、土壤-作物系统中污染物迁移转化及阻控修复等关键科学问题。