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2023年  第36卷  第7期

目录
主编约稿
高级氧化体系中活性氧化物质的定性和半定量分析方法研究进展
周晨颖, 周鹏, 张鹏, 孙一鸣, 赖波
2023, 36(7): 1255-1264. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.02.14
摘要(321) HTML (86) PDF(115)
摘要:
对高级氧化反应体系中活性氧化物质(ROS)的类型、贡献占比和反应途径的定性与半定量分析对于探究有机污染物的降解过程与具体机制至关重要. 基于文献调研,本文总结了高级氧化体系中多种ROS的氧化还原电位、反应机制等主要特点,综述了ROS的定性和半定量分析方法,包括电子顺磁性共振技术、ROS选择性淬灭方法、化学探针法、电化学法、原位拉曼法、穆斯堡尔光谱法、同步辐射法和定量构效关系分析法,分析了其优缺点和应用场景. 结果表明:①高级氧化体系中通常存在ROS的协同作用,这会在一定程度上干扰ROS的定量分析结果. ②由于分析难度高、影响因素繁多,目前缺乏快速准确的ROS定量检测技术. 为更加科学合理地开展有机污染降解机理探究和应用技术开发工作,今后应以ROS快速定量检测技术和原位技术为研究重点,结合模型方法等辅助手段分析高级氧化体系中的活性氧化物质暴露量或瞬态浓度及其对污染物去除的贡献,以及预测污染物去除效率等.
大气环境
应用金属与水溶性有机物模拟大气颗粒物自由基生成的研究
钟学臻, 胡潇予, 曹语轩, 张阳
2023, 36(7): 1265-1273. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.10
摘要(187) HTML (72) PDF(52)
摘要:
大气颗粒物中的水溶性有机物(WSOC)、金属均是对自由基有显著贡献的组分,但其生成机制还未明晰. 本文利用电子顺磁共振波谱仪(EPR),结合自由基捕获(BMPO、DMPO)技术,模拟WSOC与金属离子相互作用对自由基生成的影响. 结果表明:4种典型WSOC (水杨酸、丙二酸、邻苯二甲酸、邻苯二酚)标样溶液与Fe2+、Fe3+反应的EPR信号能较好地吻合大气PM2.5的BMPO提取液与Fe2+、Fe3+反应生成的自由基信号. 进一步拟合液相反应的EPR信号发现,Fe2+与WSOC反应生成烷基类或芳香类自由基,而Fe3+则促进羟基自由基、烷氧自由基、氢过氧自由基、烷基自由基等生成,说明Fe2+、Fe3+与WSOC反应生成自由基的机制不同. 利用负载Fe的矿质模型颗粒物与邻苯二酚类物质进行液固反应生成了持久性自由基(EPFRs),再加入DMPO后却未检测到瞬时自由基. 研究显示,游离态Fe能与WSOC生成瞬时自由基,非游离态Fe可与WSOC中的邻苯二酚生成稳定的EPFRs,且邻苯二酚取代基的给电子能力越强,EPFRs越容易生成,但其无法转化为瞬时自由基.
基于移动观测的城市机动车氨排放特征研究
杨荟楠, 马东翔, 丁祥, 刘文洋, 楼晟荣, 黄成
2023, 36(7): 1274-1283. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.01
摘要(238) HTML (70) PDF(79)
摘要:
氨(NH3)在城市细颗粒物(PM2.5)的形成中起重要作用,机动车是其重要来源之一. 本文利用移动式走航测量方法,在上海市开展了为期8 d的实际道路NH3排放移动走航观测,获得了道路机动车NH3排放及分布特征. 结果表明:①去除污染物背景数据后,实际道路机动车的ΔNH3/ΔCO2(NH3与CO2排放量之比,下同)为0.44×10−3,不同类型交通区存在显著差异,港区道路与中心城区道路机动车的ΔNH3/ΔCO2均较高,而高速公路相对较低. ②交通条件对实际道路机动车的NH3排放量具有重要影响,道路拥堵状态下机动车低速行进时的ΔNH3/ΔCO2是道路通畅时高速行进状态下的2~3倍. ③第四届中国国际进口博览会(2021年11月5—10日)期间,在重点拥堵路段实施的交通管制措施对削减机动车NH3排放具有积极作用. 研究显示,交通条件是城市机动车NH3排放的重要影响因素之一.
车内空气质量控制标准及半挥发性有机物研究探讨
王丹璐, 何海峰, 赵军霞, 王运静, 李琦, 李政蕾, 魏彤, 侯雅宣, 赵秀阁
2023, 36(7): 1284-1296. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.11
摘要(188) HTML (44) PDF(44)
摘要:
近年来,随着车辆保有量的不断上升,汽车污染带来的空气污染和健康影响不断加深,人群对车内空气质量控制的需求不断提高,车内空气质量问题也越来越多受到人群的关注,本文针对车内空气质量控制,梳理并阐述目前国内外车内空气质量控制标准以及我国车内饰污染物质量控制标准,总结并分析车内空气中半挥发性有机物样本采集方法及重点关注物质. 结果表明:①目前中国、日本、韩国以及俄罗斯等国家车内空气质量控制标准中挥发性有机物是重点关注指标且其限值具有差异,除日本外,其他国家暂未将半挥发性有机物纳入控制标准. ②我国车内饰质量控制标准指标中有机物指标占所有指标的66.90%,其中半挥发性有机物指标占有机物指标的30.94%,且多为增塑剂、阻燃剂类等对人体健康具有危害的物质. ③车内空气半挥发性有机物研究涉及气态、颗粒态以及粉尘样本,超过66.67%的样本采用主动采样法进行收集. 研究中关注的重点物质包括溴化阻燃剂、磷系阻燃剂、邻苯二甲酸酯、全氟化合物等阻燃剂和增塑剂类物质,其研究次数占所有物质研究次数的88.14%. 针对车内空气质量管理提出两点建议:①在现有车内空气质量管理标准与技术指南的基础上,我国需要扩大质量控制指标范围,适当加入阻燃剂、增塑剂等半挥发性有机物控制指标;②完善车内空气质量样品采集技术指南,针对半挥发性有机物制定采样规范.
基于超低排放典型工艺的钢铁烧结模拟烟气冷凝特性研究
陶泓帆, 黄妍, 李思密, 肖岭, 张俊丰, 赵令葵
2023, 36(7): 1297-1305. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.03
摘要(136) HTML (37) PDF(31)
摘要:
在钢铁烧结烟气超低排放背景下,为有效控制可凝结颗粒物(CPM)的产生以及有色烟羽问题,本文针对钢铁烧结烟气的“半干法(干法)脱硫+中低温SCR脱硝”超低排放典型工艺,参考稀释间接法原理设计模拟冷凝试验装置,结合大气气溶胶相关热力学及动力学模拟计算结果,考察探究了烧结烟气中各组分(NH3、HCl、SO3、H2O)冷凝的相互影响及机制. 结果表明:①逃逸NH3的存在将显著提升SO3成核速率,形成潮解点较低、易团聚的硫酸盐气溶胶,使得SO3平均冷凝比提升至84%. ②HCl则主要以离子态形式存在于硫酸盐气溶胶中,平均冷凝可达80%. ③HCl和SO3均可促进NH3的冷凝,对NH3冷凝的促进效果依次为HCl<SO3<HCl+SO3,改变烟气组成可使NH3的平均冷凝比从27%升至78%. 研究显示,改变初始NH3浓度对CPM冷凝总量的影响最大.
水处理
碳氮包覆纳米Fe3O4的非自由基路径光催化去除养殖废水中四环素的机制研究
郑佳慧, 王嘉妮, 柯佳琪, 何亦天, 王原, 黄连杨, 孙启元, 张伟芳
2023, 36(7): 1306-1316. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.04.01
摘要(197) HTML (47) PDF(45)
摘要:
养殖废水中的四环素(TC)未经有效处理,直排至水环境中将影响生态环境. 本研究通过制备纳米四氧化三铁/碳氮复合材料(Fe3O4/CN),采用XRD、FTIR、TEM、Raman和EIS表征材料的物相组成、微观形貌和结构,并探究其光催化去除TC的性能和机理,推测TC的降解路径. 结果表明:①以掺杂氮化碳的海藻酸铁水凝胶为前驱体,经高温煅烧衍生制备碳氮包覆的Fe3O4复合材料,该材料碳缺陷程度强,光生电子(e)和空穴(h+)的分离效率高. ②在pH=7和TC初始浓度为50 μmol/L的溶液中投加0.05 g/L的Fe3O4/CN,且光照150 min后,TC的去除率可达95.1%. ③ESR和自由基淬灭试验表明,Fe3O4/CN在光照下主要通过产生h+的非自由基路径直接氧化降解TC. ④HPLC-MS测试和QSAR预测结果表明,在光催化反应中,TC发生脱氨基、开环等氧化反应,产生的降解产物对水蚤和黑头鱼的生物毒性均低于TC本身. ⑤由于Fe3O4/CN具有良好的磁性(饱和磁化强度为13.9 emu/g),反应后的材料可通过磁铁从液相中分离. 研究显示,Fe3O4/CN可高效去除TC,为铁氧化物/碳氮复合材料在水处理中的应用提供理论参考.
活性氮化硼的制备、表征及其对重金属离子的吸附特性研究
詹凤琪, 李彦龙, 盖安俊, 刘博, 张峻中, 李润东
2023, 36(7): 1317-1328. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.04.02
摘要(161) HTML (43) PDF(36)
摘要:
重金属离子是工业废水中的重要污染物,常规吸附剂吸附量低、吸附速度慢. 对此,本文将吸附量大、吸附速度快的活性氮化硼(A-BN)吸附剂引入重金属污染领域,采用三聚氰胺(C3H6N6)和硼酸(H3BO3)作为前驱体,以摩尔比例1∶2混合,制备了比表面积为944.526 m2/g、介孔孔体积为0.324 cm3/g的A-BN材料,并探究了废水中Cu2+、Pb2+和Cd2+的相互作用以及A-BN的吸附行为机理. 结果表明:①在单一体系中,A-BN吸附量的大小表现为Pb2+ >Cd2+ >Cu2+,但在三元体系中重金属离子会发生相互作用,即Cu2+对Pb2+的吸附具有协同作用,而对Cd2+的吸附具有拮抗作用,Pb2+对Cd2+的吸附在30 min内具有拮抗作用,30 min后具有协同作用. 同样,Pb2+对Cu2+的吸附具有协同作用,而Cd2+对Cu2+的吸附具有拮抗作用,Cd2+对Pb2+的吸附具有协同作用. ②针对A-BN吸附Cu2+、Pb2+和Cd2+,发现其对Cu2+、Pb2+和Cd2+的吸附均符合Langmuir等温吸附模型,说明吸附过程主要受化学吸附控制. ③利用XPS分析A-BN吸附后表面化学态,发现Cu2+与A-BN结合形成Cu(OH)2和—OCu,Pb2+和Cd2+与A-BN结合,形成PbCO3、Cd(OH)2和CdCO3. 其吸附机理包括表面—NH2与重金属离子形成络合物、—OH的H与重金属离子发生离子交换、—O与重金属离子通过静电相互作用结合形成的3种吸附机制. 研究显示,A-BN是一种吸附量大、吸附速度快的新型吸附剂,可解决实际水体环境中的重金属污染问题.
生态环境
城市化地区生态保护红线保护成效评估:以深圳市为例
刘艳霞, 陈慧慧, 孙芳芳, 董笑语
2023, 36(7): 1329-1339. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.05
摘要(192) HTML (39) PDF(62)
摘要:
保护成效评估是生态保护红线监管的重要内容,然而,当前我国尚未开展全面的生态保护红线保护成效评估研究. 作为中国特色社会主义先行示范区和粤港澳大湾区的核心引擎,深圳市率先尝试开展生态保护红线保护成效评估应用研究,可为其他城市提供示范参考. 该研究在参考《生态保护红线监管技术规范 保护成效评估(试行)》(HJ 1143—2020)指标体系的基础上,结合地方特色,采用遥感解析和地面调查等方法,开展2015—2020年深圳市生态保护红线保护成效评估研究. 结果表明:深圳市陆域生态保护红线的保护成效指数为78.16,处于轻度好转状态,表明通过生态保护红线的划定和监管,深圳市陆域重要生态空间得到了有效保护. 深圳市为提高城市化区域生态保护红线保护成效提供了实践经验,通过立法规划,实施事前、事中、事后的全过程精细化管理和精准生态保护修复等举措,“质”“量”并重提升保护成效. 成效评估成果可用于及时掌握生态保护红线的生态状况、预警生态风险,为生态保护与修复、生态补偿等工作提供依据,可纳入生态文明建设考核,是推进生态文明建设工作的有力抓手.
滇中尖山河流域典型人工湿地水体-土壤-植物系统生态化学计量特征
苏孟白, 王克勤, 宋娅丽, 洪利达, 胡淳
2023, 36(7): 1340-1353. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.04.11
摘要(140) HTML (37) PDF(49)
摘要:
为深入了解高原湖泊临湖流域人工湿地系统内元素交换规律和养分限制状况,通过测定滇中抚仙湖临湖尖山河流域人工湿地水体-土壤-植物连续体营养元素含量,分析掌握人工湿地不同功能区各组分生态化学计量特征及其耦合关系. 结果表明:各分区氮去除率逐级递增,磷去除率波动递增,人工湿地前端CODCr净化效应明显,末端TN、TP净化效用明显,双区并联构筑人工湿地净化效应更优, 该系统土壤-植物营养元素格局存在区域差异性. 湿地植物碳同化效率明显受生长期和外源胁迫共同控制,土壤矿质代谢及有机质分解能力表现为旱伞草>香蒲>再力花>美人蕉. 该系统内各组分氮元素变异性较大,尖山河人工湿地总体上土壤C-植物C、土壤P-植物P和土壤C/N-植物C/N均呈极显著正相关,土壤N/P-植物N/P呈极显著负相关,且植物对C和P元素的响应更加积极. 因此提高高原人工湿地水体净化功能关键在于了解系统营养元素限制格局及外源胁迫适应特征,该结果可为高原湖泊水体与临湖流域水环境保护提供数据支撑和推广参考.
包气带反硝化菌多样性和群落结构垂向分布规律与主控环境因子研究:以北京市潮白河冲洪积扇为例
晁韶良, 郇环, 周向同, 刘媚
2023, 36(7): 1354-1367. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.12
摘要(127) HTML (28) PDF(22)
摘要:
近年来,我国农田氮肥施用量增加,给地下水天然屏障“包气带”带来了威胁,而微生物反硝化作用对包气带中氮素的去除具有重要意义. 为探究包气带深度和理化性质对反硝化菌组成和结构的影响,本研究选择北京市地下水水源地潮白河洪积扇区2个典型包气带剖面(编号为S6和S8)为研究对象,采用高通量测序方法分析潮白河10.0 m内包气带剖面nirS、nirKnosZ型反硝化菌多样性和群落结构的垂向分布规律,通过Spearman非参数分析方法识别反硝化菌多样性主控因素,通过冗余分析方法、随机森林分析方法和曼特尔检验相关性分析方法,探究影响反硝化菌组成结构主控因素. 结果表明:S6剖面反硝化菌的α多样性整体高于S8剖面,同时不同类型反硝化菌的α多样性表现为nirK>nirS>nosZ. S8和S6剖面反硝化菌的α多样性和包气带深度为非线性的关系,S6剖面α多样性变化相比S8剖面更加明显. nirSnirKnosZ基因主要来源于变形菌门和放线菌门中参与氮循环的属,且不同剖面的反硝化菌群落结构差异显著(P<0.05). 与反硝化菌多样性存在明显正相关性的环境因子包括pH、氨氮和黏粒含量,存在负相关性的环境因子包括亚硝酸盐、硝酸盐含量和反硝化速率. 不同深度范围内影响微生物群落结构的环境因子数量不同,在浅层包气带〔S8剖面(0.2~1.0 m),S6剖面(0.2~0.8 m)〕下,与反硝化菌群落结构呈显著相关的因子包括黏粒含量、深度、pH以及有机质、碳酸盐、亚硝酸盐含量等;深层包气带〔S8剖面(1~5.0 m),S6剖面(0.8~10.0 m)〕,与反硝化菌群落结构呈显著相关的环境因子包括钙、镁、硝酸盐、总有机碳含量等. 研究显示,不同深度包气带中的反硝化菌对环境的响应存在差异,多种环境要素共同影响了反硝化菌的多样性和群落结构. 因此,持续关注包气带中的反硝化功能基因,对于合理应对包气带及地下水环境氮污染、调节生物地球化学氮循环具有指导意义.
地下滴灌土壤水分分布对设施种植农田甲烷通量的影响
王京伟, 何秋琴, 宋晓伟, 牛文全
2023, 36(7): 1368-1378. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.14
摘要(131) HTML (32) PDF(22)
摘要:
为优化设施土壤水分管理、挖掘固碳减排潜力,该文采用田间控制性试验,以设施农业中普遍栽培的番茄为对象,研究了不同滴灌管埋深(0、10、20、30 cm,依次记为DI、SDI10、SDI20、SDI30)土壤水分状况对土壤甲烷(CH4)通量变化的影响及其驱动机理. 结果表明:①不同滴灌管埋深的番茄土壤CH4通量呈波动变化,但总体为吸收效应. “植株+土壤”条件下,SDI20、SDI30的CH4累积吸收量分别为DI的7.12、4.11倍(P<0.05);“根系+土壤”条件下,SDI20、SDI30的CH4累积吸收量分别较DI增加26.02%、89.43%(P<0.05). 滴灌管埋深增加造成的土壤水分分布和水分均匀度差异对土壤CH4吸收量具显著调节作用. ②滴灌管埋深显著影响根区土壤理化特性,如SDI10、SDI20、SDI30的土壤NO3-N含量分别为DI的2.21、2.28、1.54倍(P<0.05),SDI10、SDI20的0~20 cm土壤充气孔隙度较DI增加14.45%、33.27%(P<0.05);滴灌管埋深增加造成的土壤理化特性改变明显提高了番茄根系分叉数,增强了根-土互作,形成了利于CH4氧化的条件,如SDI20、SDI30显著增加了CH4氧化基因K10944(pmoA-amoA)、K10945(pmoB-amoB)、K10946(pmoC-amoC)的拷贝数,而这些基因拷贝数与CH4累积吸收量、根系分叉数均呈显著正相关. ③CH4累积吸收量变化的路径分析表明,CH4氧化基因拷贝数变化是影响CH4累积吸收量的关键因素,而滴灌管埋深变化造成的根系分叉数(R=0.77)与NH4+-N含量(R=0.42)的差异对CH4氧化基因具有显著的直接调节效应. 总体上,SDI20、SDI30通过提高根系分叉数、CH4氧化基因拷贝数和果实膨大期叶片鲜质量,增强了“地面植株-根-土”交互作用,促进了土壤CH4吸收;DI、SDI10相对减弱了“地面植株-根-土”交互作用,抑制了土壤CH4吸收. 研究显示,滴灌管埋深通过影响土壤水分分布状况和植株生长差异调节根-土互作以及土壤CH4累积吸收量.
沉积物古DNA揭示水生态系统中群落演变的进展与展望
朱星遇, 李飞龙, 胡丹心, 何文祥, 郭芬, 高伟, 张远
2023, 36(7): 1379-1391. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.03.06
摘要(131) HTML (46) PDF(36)
摘要:
识别和预测环境变化下生物群落演变特征是水生态保护策略制定的关键前提. 由于缺乏长时间序列的生态监测数据,如何有效揭示生态系统中物种与群落演变是目前面临的难题. 利用沉积物古DNA中封存的物种历史自然资源档案,检测并解译古DNA信息,将提高人们对环境变化驱动的物种迁移与灭绝、群落演变动态、生态系统结构和功能变化的理解. 本研究首先介绍了沉积物古DNA技术的原理,并简要概括了从古DNA提取到现有的四大分析方法,以及数据分析等一系列操作流程;随后综述了沉积物古DNA在物种入侵与定殖、物种遗传进化、群落演变和揭示环境压力下生态系统长时间序列变化特征等领域的应用;最后针对沉积物古DNA技术目前存在的问题与缺陷,如古DNA降解、古DNA污染、与其他替代物数据有差异等,整理并总结了目前潜在的解决方案,如统计学模型、多数据源结合、人工智能联用,以期为建立基于沉积物古DNA的水生态系统中生物群落重建提供新技术和思路.
土壤与固废
石油污染胁迫下土壤潜在降污固碳微生物互作关系研究
宋佳宇, 李昀照, 李兴春, 李丹丹, 王庆宏, 史权, 陈春茂
2023, 36(7): 1392-1403. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.04
摘要(124) HTML (20) PDF(27)
摘要:
为探究石油污染土壤潜在降污固碳微生物关键类群及其互作响应关系,采集华北某油田开发井场表层(0~20 cm)土壤,利用荧光定量PCR及高通量测序技术开展石油污染土壤潜在降污固碳微生物群落结构及代谢功能研究. 结果表明:①石油污染胁迫下土壤微生物优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和拟杆菌门(Bacteroidota). ②相关性网络分析表明,类诺卡氏菌属(Nocardioides)、链霉菌属(Streptomyces)、假单胞菌属(Pseudomonas)及鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)是石油污染土壤降污固碳关键属. 同时,假单胞菌属与链霉菌属(r=−0.818,p=0.001)、类诺卡氏菌属(r=−0.811,p=0.001)以竞争关系共存;鞘脂单胞菌属与链霉菌属(r=0.895,p<0.001)、类诺卡氏菌属(r=0.916,p<0.001)以互利共生关系共存,链霉菌属与类诺卡氏菌属(r=0.895,p<0.001)以互利共生关系共存. ③Spearman相关性分析表明,烷烃降解功能基因alkB丰度与固碳功能基因cbbL(r=0.846,p=0.001)、aclB(r=0.825,p=0.001)、fhs(r=0.853,p<0.001)丰度均呈极显著正相关;芳烃降解功能基因PAH-RHDα GP丰度与固碳功能基因cbbL丰度(r=0.825,p=0.001)呈极显著正相关,与fhs(r=0.706,p=0.010)、aclB(r=0.650,p=0.022)的丰度均呈显著正相关. ④KEGG数据库功能注释结果表明,石油污染土壤中同时存在石油烃降解和固碳代谢通路,且固碳代谢通路相对丰度显著高于石油烃降解代谢通路. 研究显示,石油污染土壤中存在潜在降污固碳微生物且多为互利共生关系,石油污染胁迫下土壤微生物群落降污固碳作用可能存在协同关系.
耐低温纤维素降解复合菌系的筛选
颜淑慧, 孟庆俊, 许瑞, 李晟楠, 王立艳, 焦扬, 宋超
2023, 36(7): 1404-1415. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.02
摘要(91) HTML (32) PDF(16)
摘要:
北方高寒地区温度低、气候干燥等环境条件会使秸秆、牛羊粪等纤维素类物质的原位还田和当季降解缓慢,造成下一年耕作困难、播种质量低. 为提高北方高寒地区纤维素类物质的降解效率,通过室内培养试验,选择高寒草原地区矿区土壤与具有较好纤维素降解能力的菌剂作为菌源,以玉米秸秆中的纤维素类物质为降解对象,采用富集培养和温度梯度驯化方法筛选出耐低温(15 ℃)高效降解纤维素的复合菌系,明确其纤维素类物质降解特性及菌系组成多样性. 结果表明:复合菌系SL15(以矿区土壤为菌源)、MM15(以纤维素降解菌剂为菌源)和MS15(以矿区土壤添加纤维素降解菌剂为菌源)在15 ℃下培养15 d纤维素类物质降解率分别为22.33%、26.33%和29.23%. 其中复合菌系MS15对纤维素类物质的降解能力最强,滤纸酶和内切酶活性最高分别可达4.6925和2.2267 U/mL. 由高通量测序可知,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、子囊菌门(Ascomycetes)和担子菌门(Basidiomycetes)为各复合菌系的优势菌门,鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)和布鲁氏菌属(Brucella)等共同促进纤维素类物质的降解,鞘氨醇杆菌属和担子菌门中的菌属作为复合菌系MS15中的优势菌群,显著增强了纤维素降解酶活性及纤维素类物质降解率. 研究显示,筛选过程在富集了耐低温纤维素降解菌的同时淘汰了无关菌属,将外源纤维素降解菌剂加入土著微生物群落增强了微生物活性,显著提高了纤维素类物质的降解率,可为进一步开发纤维素降解复合菌系、促进低温条件下玉米秸秆等纤维素类物质原位还田提供技术支撑.
富钙/铁抗生素菌渣生物炭的制备及其对磷酸盐的吸附特性和机理
陈钦鹏, 陈运超, 张铭栋, 何敏贞, 马增岭, 穆景利
2023, 36(7): 1416-1425. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.04.12
摘要(111) HTML (34) PDF(20)
摘要:
富含钙/铁元素(Ca/Fe)的抗生素菌渣既是国家规定的危险废物,又具有显著的生物质和金属资源属性,但现有处理技术鲜有关注这二者的协同回收利用;同时,现有研究对菌渣生物炭的应用探索较少. 针对于此,该研究以富Ca/Fe妥布霉素菌渣为原料,用水热法和热解法分别制备了水热炭和热解炭,并探索其在吸附除磷方面的应用. 结果表明:由富Ca/Fe妥布霉素菌渣制得的水热炭和热解炭中Ca和Fe元素含量均较高;但热解炭无需改性便具有较强吸附磷能力和磁性,其中600 ℃制备的热解炭(PC-600)最适合用于吸附水中磷酸盐. 对于磷酸盐的吸附,PC-600更适用于碱性环境,受Cl、NO3影响较小,而HCO3促进吸附过程;PC-600吸附速度较快,平衡时间仅为420 min;吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,最大吸附容量达108 mg/g(35 ℃下);吸附机理主要为化学沉淀和配体交换. 研究显示,热解法是处理富Ca/Fe抗生素菌渣较有潜力的方法,所获得的生物炭能够应用于废水中磷酸盐的去除或回收. 该研究可实现富Ca/Fe菌渣中生物质和金属资源协同回收利用,为菌渣生物炭的应用提供参考,同时为水体磷污染治理提供高效吸附材料.
纳米CaO2促进污泥厌氧发酵产酸性能的微生物机制
潘禹, 刘鲡, 智笑涵, 朱洪涛
2023, 36(7): 1426-1434. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.03.05
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摘要:
过氧化钙(Calcium peroxide, CaO2)可大幅促进污泥厌氧发酵产酸,但其对微生物群类转换的影响机制暂不明晰. 针对这一问题,开展了不同CaO2投加比例(每g污泥挥发性固体中CaO2投加量分别0、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 g,依次标记为C-0、C-10、C-15、C-20、C-25、C-30、C-35)下的污泥厌氧发酵研究,并从胞外聚合物、抗氧化酶等角度解析CaO2氧化胁迫下剩余污泥厌氧发酵产酸微生物群落变化的机制. 结果表明:①CaO2促进了污泥的水解,C-35组发酵效果最好,产物短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)的浓度达到1 424 mg/L,约为C-0组的4.3倍. ②高通量测序结果表明,投加CaO2会降低微生物群落的多样性,富集水解产酸菌,抑制其他门类细菌. 其中厚壁菌门的相对丰度从C-0组的7.16%增至C-35组的64.23%,产SCFAs的梭菌纲和芽孢杆菌纲相对丰度也显著增加. ③随着CaO2投加比例增加,细菌胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)由紧密结合型向松散结合型和黏液型转化,并促进了细菌胞外多糖的合成与分泌,提高了功能菌群的生存能力. ④细菌的抗氧化酶系统对厌氧发酵体系中功能菌群的筛选可能具有影响. CaO2提高了功能菌群的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶基因的相对丰度,从而可通过促进抗氧化酶的分泌,提高功能菌群的抗氧化能力,使细菌群落向有利于生产SCFAs的菌群转化. 研究显示,在CaO2氧化胁迫下,功能菌群会通过促进EPS的分泌与转化来提高抗氧化酶活性,增强自身的抗氧化能力,从而促进微生物群落中水解酸化功能菌群的富集,这正是该工艺方法提高SCFAs产量的微生物机制.
环境健康
短链氯化石蜡对典型浮游生物的毒性效应及基准研究
侯银, 郑欣, 刘欣宇, 凌佳楠, 魏超, 赵祯
2023, 36(7): 1435-1445. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.06.10
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摘要:
短链氯化石蜡(short-chain chlorinated paraffins, SCCPs)是近年增列的持久性有机污染物(POPs),由于其大量生产和广泛应用,在水体中普遍检出,但对其毒性效应研究有限,难以有效评估其生态风险. 本文通过开展SCCPs对4种藻、大型溞以及萼花臂尾轮虫毒性试验,探究了其对典型浮游生物的毒性效应并评估了各物种敏感性,在系统梳理试验数据和文献搜集数据的基础上,利用物种敏感性分布曲线(SSD)法获得了SCCPs的5%物种危害浓度(HC5),推导了SCCPs水生生物长期基准(LWQC),对我国SCCPs生态风险评估与管控具有重要意义. 结果表明:①藻类生长抑制试验显示,SCCPs对蛋白核小球藻的毒性最强,其次是羊角月牙藻和舟形藻,最后是四尾栅藻,表明蛋白核小球藻对SCCPs最敏感,四尾栅藻最不敏感. ②SCCPs对大型溞24和48 h的半数效应浓度(EC50)分别为37和9.5 μg/L. SCCPs对大型溞的生长和繁殖都有明显的抑制,最低观察效应浓度(LOEC)为6 μg/L,无观测察效应浓度(NOEC)为4 μg/L. ③轮虫慢性毒性试验中,最高浓度组(80 μg/L)的SCCPs对轮虫的种群增长抑制作用最强,NOEC为10 μg/L. 研究显示,结合试验数据和文献搜集数据构建SSD曲线比较了各物种敏感性,可知对SCCPs最敏感的是大型溞,其次是轮虫、鱼类和摇蚊,藻类最不敏感,并通过SSD外推获得SCCPs的LWQC为1.92 μg/L.
环境规划与管理
基于县域尺度的福建省土地利用碳排放效应分析
张圆圆, 陈方媛, 许翔, 谢天然, 伍博炜, 王远
2023, 36(7): 1446-1456. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.05.07
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摘要:
土地利用碳排放核算及效应分析是土地覆被变化研究领域的热点问题,也是落实碳达峰、碳中和决策部署的核心主题之一. 福建省是全国首批生态文明示范区,如何系统优化土地利用格局,发挥生态本底优势,成为福建省低碳土地利用规划的重要课题. 本文融合空间数据和统计数据,构建福建省自下而上的县域耕地、林地、草地、建设用地碳排放及其变化的科学核算体系,核算2005—2020年福建省县域尺度土地利用碳排放,并结合空间马尔科夫链、地理探测器、随机森林等多种方法分析土地利用碳排放的空间格局、时空演变和影响机理. 结果表明:①2005—2020年,福建省土地利用碳排放呈增长趋势,从6 587.20×104 t增至12 008.03×104 t,但增速逐年放缓,从27.04%降至17.19%. ②建设用地碳排放占比逐渐增大,从72.64%增至98.23%. 林地碳汇量逐年增长,从307.49×104 t增至432.10×104 t. ③福建省土地利用碳排放总体呈从闽东南向西北递减的分布特征,逐步形成以福州都市圈和厦漳泉都市圈为两极的高碳排放区的空间格局. ④福建省土地利用碳排放呈现明显的空间正相关. LISA聚类结果表明,碳排放的空间集聚存在路径依赖和空间锁定特征. ⑤福建省土地利用碳排放存在空间溢出效应,并且低低集聚区碳排放类型跨级转移活跃. ⑥地理探测器结果表明,各影响因素的解释力(q值)范围为0.01~0.69,其中人口规模(0.47~0.69)和土地利用程度指数(0.30~0.34)是对区域土地利用碳排放量影响程度较大的因素,其余因素影响力较弱(q值均在0.2以下). 研究显示,福建省土地利用碳排放总量增长趋势已经放缓,但是其空间分布仍然存在显著差异. 因此,应结合不同地区的特点,制定针对性的减排政策,对于工业化和城镇化比较发达的闽东南地区,应该合理控制碳排放;而对于生态资源相对丰富的闽西北地区,则应该发挥其绿色发展优势.