CN109365524A - 一种复合有机污染的生物修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合有机污染的生物修复方法，包括：污染本底调查；修复生境构建、红树植物筛选、复合效应分析、修复时间优化、降解菌群强化和修复效果评价。本发明基于红树植物‑微生物的红树林人工湿地生物修复技术，对降低沉积物中复合有机污染物含量有较好的效果，并促进了其赋存形态向低毒性转化，实现了沉积物复合有机污染的有效修复。

Description

一种复合有机污染的生物修复方法
技术领域
本发明涉及生态环境保护技术领域，具体涉及一种复合有机污染的生物修复方法。
背景技术
持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)是环境中难降解、高脂溶性并能通过各种传输途径迁移的半挥发性且毒性极大的有机化合物。POPs在大气、水体、土壤或沉积物和生物体等多环境介质中普遍检出且极具生态风险，特别是土壤或沉积物中。同时，针对这些有机污染物的修复技术研究在持续进行，但以单一有机污染物的修复技术研究为主。其中，生物修复技术，包括植物修复、微生物修复、生物联合修复等技术，已经成为绿色环境修复技术之一。然而，多种有机污染物共存时可能发生交互作用，如通过竞争吸附点位影响其生物效应等，进而产生协同、拮抗、加和作用等，对单一污染物的有效修复方法未必适用于复合污染。因此，明确沉积物中不同污染物间的作用，寻求环境友好、成本低廉、经济高效的生物修复技术尤为必要。
作为海岸湿地生态系统的重要组成部分，红树林在防浪护岸、维持生物多样性和渔业资源、净化环境等方面具有重要的生态功能。近年来，大量点源和面源污染物排放到江河湖海中，使河口及沿海地区的红树林成为持久性有机污染物的汇集场所。这些污染物将威胁红树林生态系统健康。但同时，红树林对这些污染物也具有较好的修复作用。红树植物可通过对POPs的直接吸收与代谢作用、分泌生物化学反应酶类降解POPs、与根际微生物群落联合降解POPs等途径，实现对沉积物中POPs污染的生物修复。当前，基于红树植物人工湿地的复合有机污染的生物修复技术尚不充分。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合有机污染的生物修复方法，通过红树植物人工湿地技术，有效降解沉积物中复合有机污染物。
为达上述目的，本发明揭示一种复合有机污染的生物修复方法，包括：污染本底调查；修复生境构建；红树植物筛选；复合效应分析；修复时间优化；降解菌群强化；修复效果评价。
S01，污染本底调查：对待修复沉积物有机污染物和基本理化性质进行调查。有机污染物调查以文献调研为主，确定主要有机污染物类型；并通过野外调查法(样方法)，确定沉积物有机污染物含量水平和主要理化参数，所述主要理化参数为pH、盐度、粒度、总有机质、总磷、总氮、硝态氮和铵态氮含量。
S02，修复生境构建：模拟潮汐生境，建立红树林人工湿地，开展生物修复。种植介质：待修复的复合有机污染沉积物；介质深度：红树植物根系垂向分布深度的最大值。植物种植密度：40株m-2；苗龄：2年。潮汐生境参数为：盐度1.5％的人造海水；淹水时间：每天12小时，即10:00～22:00；闭环系统：为避免造成新的水体污染，设置人工海水储存容器。模拟涨潮时，将人造海水用水泵从储存容器中泵入隔室中；模拟退潮时，将人工海水排放回储存容器中。其它环境参数为：光合活性800-1400μmol m-2s-1、温度20-29.5℃、相对湿度60-80％。
S03，红树植物筛选：基于环境污染现状进行室内控制实验，并设置无植物对照组。筛选装置为：分隔箱，即不透水、不透光PVC(聚氯乙烯)箱体，大小可按实际需求调整；所述分隔箱中间采用PVC板将箱体左右分隔，并在底部完全密封；所述分隔箱上部与水体联通，所述分隔箱下部沉积物和植物根系完全分隔。测试植物苗龄：2年；筛选周期：1月；筛选指标为：植物长势(株高、叶片数)、光合参数(净光合速率、气孔导度、胞间CO2(二氧化碳)浓度、蒸腾速率)、叶绿素荧光参数等无损检测指标。植物筛选原则为：①对有机污染物具有较高富集能力，并能促进其向低毒形态转化；②对有机污染物有较好的耐受性，确保良好的生长状态；③乡土植物为主。
S04，复合效应分析：基于红树植物筛选过程进行。种植介质为模拟有机污染沉积物，具体地，以未污染/污染水平较低的沉积物中添加待修复沉积物污染水平的单一和复合有机污染物，开展植物筛选和复合效应分析。主要复合效应包括：拮抗、协同、加和以及无交互作用。进一步地，若未出现拮抗效应，则采用当前筛选的红树植物同步修复；若出现拮抗效应，则通过配置对相应单一有机污染物修复效果较佳的红树植物实现同时修复，或采用分步修复方案。
S05，修复时间优化：进一步地，基于选定的红树植物和确定的复合效应，采用待修复沉积物为培养介质，延长模拟实验的时间，用于确认最佳修复时长。具体方法为：在不同时间收集各隔室中土壤沉积物样品和植物根系样品，检测待修复样品中目标有机污染物及其同系物的含量水平。其中的时间设置依据为：目标有机污染物自然降解速率及时长、或按等差或等比规律设置时间间隔。
S06，降解菌群强化：时间优化过程中，当目标有机污染物降解速率/降解量稳定时，调查微生物特征，确定优势微生物菌群；并将强化后的微生物菌群用于后续目标沉积物的修复。
S07，修复效果评价：主要评价指标为：沉积物中残留的目标污染物及同系物的含量、植物根系中目标污染物及同系物的含量以及目标有机物降解过程中微生物特征。
本发明的有益效果是：依据前期调研与实验研究结果，针对沉积物复合有机污染问题及其交互作用，采用合理的生物修复策略，有效降低沉积物复合有机污染物总体水平，并促进其赋存形态向低毒性转化，实现沉积物复合有机污染物的有效修复。
附图说明
图1是本发明一种复合有机污染的生物修复方法的流程图；
图2是本发明实施例红树植物对复合有机污染中BDE-209的修复效果图；
图3是本发明实施例红树植物对复合有机污染中芘的修复效果图；
图4是本发明实施例有机污染物在植物根部的富集特征图；
图5是本发明实施例有机污染物降解特征图；
图6是本发明实施例有机物降解过程中微生物特征图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的一种复合有机污染的生物修复方法，包括：
1)污染本底调查；
2)修复生境构建；
3)红树植物筛选；
4)复合效应分析；
5)修复时间优化；
6)降解菌群强化；
7)修复效果评价。
S01，污染本底调查：对待修复沉积物有机污染物和基本理化性质进行调查。首先，有机污染物调查以文献调研为主，确定主要有机污染物类型；进一步地，通过野外调查法(样方法)，进行实验室分析，确定沉积物有机污染物含量水平；同步地，测定沉积物主要理化参数，所述主要理化参数包括：pH、盐度、粒度、总有机质、总磷、总氮、硝态氮和铵态氮含量，其中测定方法为国标法。
S02，修复生境构建：模拟潮汐生境，建立红树林人工湿地，开展生物修复。种植介质：待修复的复合有机污染沉积物；介质深度：红树植物根系垂向分布深度的最大值。植物种植密度：40株m-2；苗龄：2年。所述潮汐生境参数为：盐度1.5％的人造海水；淹水时间：每天12小时，优选地，即10:00～22:00；闭环系统：为避免造成新的水体污染，设置人工海水储存容器。模拟涨潮时，将人造海水用水泵从储存容器中泵入隔室中；模拟退潮时，将人工海水排放回储存容器中。其它环境参数为：光合活性800-1400μmol m-2s-1、温度20-29.5℃、相对湿度60-80％。
S03，红树植物筛选：筛选方法为：基于环境污染现状进行室内控制实验，并设置无植物对照组。筛选装置为：分隔箱，即不透水、不透光PVC箱体，大小可按实际需求调整；所述分隔箱中间采用PVC板将箱体左右分隔，并在底部完全密封；所述分隔箱上部与水体联通，所述分隔箱下部沉积物和植物根系完全分隔。测试植物苗龄：2年；筛选周期：1月；筛选指标为：植物长势(株高、叶片数)、光合参数(净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率)、叶绿素荧光参数等无损检测指标。植物筛选原则为：①对有机污染物具有较高富集能力，并能促进其向低毒形态转化；②对有机污染物有较好的耐受性，确保良好的生长状态；③乡土植物为主。
S04，复合效应分析：基于红树植物筛选过程进行。种植介质为模拟有机污染沉积物，具体地，以未污染或污染水平较低的沉积物中添加待修复沉积物污染水平的单一和复合有机污染物，开展植物筛选和复合效应分析。主要复合效应包括：拮抗、协同、加和以及无交互作用。进一步地，若未出现拮抗效应，则采用当前筛选的红树植物同步修复；若出现拮抗效应，则通过配置对相应单一有机污染物修复效果较佳的红树植物实现同时修复，或采用分步修复方案。
S05，修复时间优化：进一步地，基于选定的红树植物和确定的复合效应，采用待修复沉积物为培养介质，延长模拟实验的时间，用于确认最佳修复时长。具体方法为：在不同时间收集各隔室中土壤沉积物样品和植物根系样品，检测待修复样品中目标有机污染物及其同系物的含量水平。时间设置依据为：目标有机污染物自然降解速率及时长、或按等差/等比规律设置时间间隔。
S06，降解菌群强化：时间优化过程中，当目标有机污染物降解速率/降解量稳定时，调查微生物特征，确定优势微生物菌群；并将强化后的微生物菌群用于后续目标沉积物的修复。
S07，修复效果评价：主要评价指标为：沉积物中残留的目标污染物及同系物的含量、植物根系中目标污染物及同系物的含量以及目标有机物降解过程中微生物特征。
实施例：
下面结合一个香港红树林沉积物室内修复中试实验为实施例详细说明本发明。包括如下步骤：
S01，污染本底调查：在本实施例中，优选地，首先，对待修复沉积物有机污染物和基本理化性质进行调查。基于文献调研发现，香港该区红树林沉积物有机污染物以PAHs(多溴联苯醚)和PBDEs(多环芳烃)的污染较为严重。
进一步地，通过野外调查法确定沉积物有污染物含量水平，其中沉积物野外调查方法为：在样地中选取三个样地，各样地设置3个样点，每个样点分别取一份沉积物样品；将土样冷冻干燥后研磨，混匀并过0.5mm筛。随后，用加速溶剂萃取器萃取样品中的PBDEs和PAHs并用气相质谱仪进行检测。同时，测定下述理化指标，所述理化指标主要包括：pH、盐度、粒度、总有机质、总磷、总氮、硝态氮和铵态氮等，测定方法均采用国标法。在本实施例中测得，香港红树林样地沉积物中BDE-209(十溴联苯醚)的浓度为40μg g-1，未检测到其他BDE同系物；芘为10μg g-1，沉积物pH为7.58，盐度为3.51‰，粒度为砂粒占74.5％、粉砂占14.3％和黏粒占11.2％，总有机质为2.30g kg-1，总磷为0.21g kg-1，总氮为0.76g kg-1，硝态氮为1.46ng kg-1，铵态氮为12.1mg kg-1。
S02，修复生境构建：在本实施例中，优选地，模拟潮汐生境，建立红树林人工湿地，开展生物修复。具体方法为：在800-1400μmol m-2s-1光合活性，温度20-29.5℃和相对湿度60-80％的温室中，设置若干填充有20kg待修复沉积物或模拟有机污染沉积物的PVC分隔箱(1m长×0.5m宽×0.3m高)。分隔箱，即不透水、不透光PVC箱体；所述分隔箱中间采用PVC板将箱体左右分隔，并在底部完全密封；所述分隔箱上部与水体联通，所述分隔箱下部沉积物和植物根系完全分隔。同时，采用水泵和人造海水(所述人造海水盐度为1.5％)对沿海的潮汐环境进行模拟。在生物修复期间每个隔室保证每天12个小时的淹水环境(在本实施例中，优选地，时间段为10:00～22:00)和12个小时的非淹水环境。在模拟涨潮时，将人造海水用水泵从储存容器中泵入隔室中，在模拟退潮时，将人工海水排放回储存容器中。
S03，红树植物筛选：依据①对有机污染物具有较高富集能力，并能促进其向低毒形态转化；②对有机污染物有较好的耐受性，确保良好的生长状态；③乡土植物为主的筛选原则。基于环境污染现状和无植物对照组，进行室内控制实验，筛选红树植物。在本实施例中，优选地，选取多种红树植物进行模拟实验筛选，具体方法为：在分隔箱中，以20kg的添加有40μg g-1BDE-209、10μg g-1芘的单一和复合有机污染物为培养介质，培养苗龄2年的不同种类红树植物(所述植物高度范围为18-20cm)，将实验盆置于具有800-1400μmol m-2s-1光合活性，温度20-29.5℃和相对湿度60-80％的温室中。定期用去离子水灌溉，持续时间为一个月，之后对不同种类红树植物的长势进行测定，主要指标为株高与叶片数量。在本实施例中，红树植物秋茄(K.obovata)具有最高的株高与最多的叶片数量，证明其对PBDEs和PAHs复合污染的耐性较高；而其他种类红树植物幼苗长势较差。此外，秋茄为华南地区典型红树植物，具有很好的代表性，因此选用秋茄作为有机污染修复的植物。
S04，复合效应分析：基于红树植物筛选过程进行。本实施例中，基于上述的结果，进一步分析了各单一和复合条件下，沉积物和植物根系有机污染物及其同系物水平，发现秋茄有较好的修复效果过，且两种有机污染物间存在协同效应，即芘的存在有助于促进BDE-209的降解。因此，采用秋茄同步修复污染沉积物中的PBDEs和PAHs，并开展进一步地优化。由图2和图3可见，BDE-209和芘降解间具有协同效应：有/无植物情况下，芘存在可促进BDE-209降解，且自身降解也较明显。
S05，修复时间优化：进一步地，基于选定的红树植物和确定的复合效应，采用待修复沉积物为培养介质，延长模拟实验的时间，用于确认最佳修复时长。在本实施例中，具体方法为：将填充有20kg待修复沉积物的2个PVC分隔箱中，在其中2个隔室分别种10棵秋茄，2个隔室不作处理。同时，采用水泵和人造海水(所述人造海水盐度为1.5％)对沿海的潮汐环境进行模拟。在生物修复期间每个隔室保证每天12个小时的淹水环境(在本实施例中，优选地，时间段为10:00～22:00)和12个小时的非淹水环境。在模拟涨潮时，将人造海水用水泵从储存容器中泵入隔室中，在模拟退潮时，将人工海水排放回储存容器中。修复过程中，在0、3、6和9个月收集各隔室中土壤沉积物样品和植物根系样品，检测待修复样品中PBDEs含量水平(如图2、图3和图4所示)，用以确定最佳修复时长。在本实施例中，随着处理时间的延长，沉积物中BDE-209和芘的浓度显著降低(图2和图3)。随时间增加(6个月时)，植物修复组沉积物中BDE-209和芘浓度均显著低于无植物组浓度(P＜0.05，图2和图3)。9个月时，秋茄处理组的BDE-209和芘去除率分别达到约50％和70％。有机污染物降解特征(如图5所示)显示根系中相比沉积物中有更多的低溴代物，可能是植物根系将BDE-209降解形成的；同时，芘的存在促进低溴代物的形成。植物修复组根部BDE-209的浓度随处理时间也明显增加(图4)，尤其是芘存在条件下。
S06，降解菌群强化：时间优化过程中，当目标有机污染物降解速率/降解量稳定时，调查微生物特征，确定优势微生物菌群；并将强化后的微生物菌群用于后续目标沉积物的修复。在本实施例中，优选地，6个月的沉积物被用于微生物特征测定。从图6用门和纲水平群落丰富度百分比表征微生物群落特征中可知，Planctomycetes和Chloroflexi菌门，Plactomycetacia纲的Blastopirellula属细菌丰度在含芘处理组高于非含芘处理组。Proteobacteria菌门Gammaproteobacteria纲的Ilumatobacter和Gaiella属的细菌丰度在植物处理组中较高，说明这两种菌属的细菌以及含芘处理组丰度较高的Blastopirellula属细菌在BDE-209和芘降解过程有重要作用。
S07，修复效果评价：本实施例中，主要评价指标为待修复沉积物中残留的BDE-209及其同系物含量、秋茄根中的BDE-209及其同系物含量以及有机物降解过程中的微生物特征。在本实施例中，基于红树植物-微生物的红树林人工湿地生物修复技术，对降低沉积物中复合有机污染物含量有较好的效果，并促进了其赋存形态向低毒性转化，实现了沉积物复合有机污染的有效修复。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：包括：污染本底调查、修复生境构建、红树植物筛选、复合效应分析、修复时间优化、降解菌群强化和修复效果评价。
2.根据权利要求1所述的一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：所述污染本底调查，包括对待修复沉积物有机污染物和基本理化性质进行调查；
具体步骤为：首先，基于文献调研确定有机污染物类型；进一步地，通过野外调查法(样方法)，确定有机污染物含量；同步地，测定沉积物主要理化参数，所述理化参数主要包括：pH、盐度、粒度、总有机质、总磷、总氮、硝态氮和铵态氮含量，其中测定方法为国标法。
3.根据权利要求1所述的一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：所述修复生境构建，即模拟潮汐生境，建立红树林人工湿地，开展生物修复；其中，所述修复生境构建中的种植介质为待修复的复合有机污染沉积物，所述种植介质深度以红树植物根系垂向分布的最大值为准；其中植物种植密度：40株m-2；苗龄：2年；
所述潮汐生境参数为：盐度1.5％的人造海水；淹水时间：每天12小时，即10:00～22:00；闭环系统：为避免造成新的水体污染，设置人工海水储存容器；
模拟涨潮时，将人造海水用水泵从储存容器中泵入隔室中；模拟退潮时，将人工海水排放回储存容器中；其它环境参数为：光合活性800-1400μmolm-2s-1、温度20-29.5℃和相对湿度60-80％。
4.根据权利要求1所述的一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：所述红树植物筛选为基于环境污染现状进行室内控制实验，并设置无植物对照组；
筛选装置为：分隔箱，即不透水、不透光PVC箱体，大小可按实际需求调整；所述分隔箱中间采用PVC板将箱体左右分隔，并在底部完全密封；所述分隔箱上部与水体联通，所述分隔箱下部沉积物和植物根系完全分隔；
测试植物苗龄：2年；筛选周期：1月；筛选指标为：植物长势(株高、叶片数)、光合参数(净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率)、叶绿素荧光参数等无损检测指标；
植物筛选原则为：①对有机污染物具有较高富集能力，并能促进其向低毒形态转化；②对有机污染物有较好的耐受性，确保良好的生长状态；③乡土植物为主。
5.根据权利要求1所述的一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：所述复合效应分析为基于红树植物筛选过程进行，主要确认复合污染物间的交互作用类型，即拮抗、协同、加和、或无交互作用；
所述种植介质为模拟有机污染沉积物，具体地，以未污染或污染水平较低的沉积物中添加待修复沉积物污染水平的单一和复合有机污染物，开展植物筛选和复合效应分析；若未出现拮抗效应，则采用当前筛选的红树植物同步修复；若出现拮抗效应，则通过配置对相应单一有机污染物修复效果较佳的红树植物实现同时修复，或采用分步修复方案。
6.根据权利要求1所述的一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：所述修复时间优化为采用待修复沉积物为培养介质，延长模拟实验的时间，在不同时间收集各隔室中土壤沉积物样品和植物根系样品，检测待修复样品中目标有机污染物及其同系物的含量水平；其中的时间设置依据为：目标有机污染物自然降解速率及时长、或者按等差或等比规律设置时间间隔。
7.根据权利要求1所述的一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：所述降解菌群强化指当目标有机污染物降解速率或降解量稳定时，调查微生物特征，确定优势微生物菌群；并将强化后的微生物菌群用于后续目标沉积物的修复。
8.根据权利要求1所述的一种复合有机污染的生物修复方法，其特征在于：所述修复效果评价的指标为：沉积物中残留的目标污染物及同系物的含量、植物根系中目标污染物及同系物的含量以及目标有机物降解过程中微生物特征。
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