重金属污染土壤的自养菌和异养菌淋滤修复研究

本文以冶炼厂和张士灌区土壤为修复对象，以镉、铅、锌、铜为目标污染物，在室内模拟实验条件下，利用自养菌-嗜酸性氧化亚铁硫杆菌和异养菌-黑曲霉淋滤技术修复重金属污染土壤。在考察自养菌和异养菌对重金属污染土壤修复效果的基础上，重点研究了溶解性有机质和耐酸性异养菌对淋滤修复的影响和机制，同时筛选确定替代蔗糖黑曲霉发酵产酸的廉价碳源。结果发现： 自养菌-氧化亚铁硫杆菌淋滤修复过程中，筛选鉴定嗜酸性氧化亚铁硫杆菌R2对甲酸、乙酸、丙酸、草酸、苹果酸和柠檬酸的耐受浓度分别为0.1、0.4、0.4、2.0、20和40 mmol/L，而高效液相色谱测定沈阳冶炼厂土壤和张士灌区土壤中低分子量有机酸浓度很低，其中草酸含量最高，分别仅为0.04mmol/L和0.149mmol/L，远低于氧化亚铁硫杆菌能耐受的有机酸浓度。同时土壤中溶解性有机质对氧化亚铁硫杆菌R2氧化Fe2+未产生抑制作用，而耐酸性异养微生物H1（红酵母菌）和H2（头孢霉）的加入对氧化亚铁硫杆菌R2淋滤去除重金属效果未产生明显促进作用，本研究中分离筛选的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌R2可直接应用于污染土壤的生物淋滤修复。经过5d的生物淋滤，冶炼厂土壤中Cu、Zn和Cd的最高去除率分别为30.6%、58.4%和72%。 在一步黑曲霉生物淋滤过程中，当固液比5%（w/v）、接种量3%（v/v）和淋滤修复7d时，对冶炼厂土壤来说，Cu、Cd、Pb和Zn去除率分别为75.8%，100%，30.6%和26.1%；张士灌区土壤中分别为54%，71.8%，9.5%，18.7%。在二步黑曲霉生物淋滤过程中，当固液比10%（w/v）、接种量为2%（v/v）和黑曲霉发酵时间7d，淋滤2d时，冶炼厂土壤中四种重金属去除率分别为Cu 84%，Cd 75.5%，Pb30.5%和Zn10%；张士灌区土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的去除率分别达到57%，94.8%，20.4%和17.5%。 异养菌-黑曲霉淋滤修复重金属污染土壤效果优于有机酸淋滤。与黑曲霉淋滤相比，在直接添加有机酸淋滤修复中，冶炼厂土壤中重金属去除率分别为Cu 46.4%，Cd 61.8%，Pb 30.2%和Zn 43.3%，张士灌区土壤中重金属去除率分别为Cu 44%，Cd 0%，Pb 0%和Zn 26.2%。 淋滤前后土壤中重金属形态分级结果表明，黑曲霉一步和二步淋滤修复能有效去除污染土壤中交换态、碳酸盐结合态部分重金属，并能显著降低氧化物结合态部分重金属，但对有机态和残余态部分重金属离子去除效果并不明显。 以树木落叶和农作物副产品作为廉价碳源实施黑曲霉淋滤实验表明：杨树叶、桃树叶、土豆皮和玉米芯产酸和去除重金属效果较好。杨树叶对冶炼厂土壤中重金属去除率分别为63.5% Cu、100% Cd、16.8% Pb和Zn 27%；桃树叶去除效果分别为Cu61.8%、Cd100%、14.6%Pb和28.5%Zn；土豆皮去除效果分别为61%Cu、100%Cd、10.6%Pb和34%Zn。这些廉价碳源的利用可降低污染土壤生物淋滤修复成本。 研究生物淋滤修复技术为重金属污染土壤处理与处置开辟了新途径。