利用農林廢棄物修復地下水中釩污染

導言:由于釩礦的密集開采和其他人為因素導致過量的釩釋放到環境中，致使地下水釩污染嚴重，導致了嚴重的公共健康問題。微生物釩污染修復技術以其良好的應用前景受到廣泛關注。外加適量有機碳源可有效刺激微生物生長，然而，液相碳源成本普遍較高，且液相碳源投加過量時易造成二次污染。相對于此，固相碳源具有處理成本低、二次污染風險小的優勢。

 玉米芯和秸稈等農林廢棄物常被認為僅是一種廢棄物，并沒有實質的用處，大多采取直接堆存等處理、處置方式。據報道，我國農村因固體廢棄物堆存被占用或破壞的耕地約為1300 km2。這不僅影響了農村環境的美麗，甚至進一步影響了環境健康。

 農林廢棄物廣泛存在且易于獲取，課題組的最新研究證實了其可以作為釩生物還原過程中的固體碳源，可有效“以廢治廢”，正可謂“一箭雙雕”。

01不同農林廢棄物作為固體碳源強化微生物除釩

     實驗選取三種常見農林廢棄物（木屑、麥稈和玉米芯），探究固相碳源對五價釩（v(v)）的吸附效果。結果顯示，木屑、麥稈和玉米芯（144 h）對v(v)的吸附去除率分別為15.66%、31.35%和21.47%（圖1a），麥稈的吸附能力明顯優于剩余兩種材料。此外，吸附動力學模型可用于解釋吸附路徑和傳質機理。本研究采用偽一級和偽二級動力學模型擬合了固相碳源對v(v)吸附動力學數據，所用的動力學方程得到的參數見表1。以r2為參考，木屑對v(v)的吸附效率遵循準一級動力學模型，且木屑的吸附速率常數最大。但在144 h的吸附反應中，麥稈qe比其他兩種材料更高，其吸附能力是三種天然材料中最好的。

表1 三種天然材料對v(v)的吸附動力學參數（來自原文）

     在生物反應器中接種厭氧混合污泥，木屑、麥稈和玉米芯作為固相碳源可強化微生物除釩，v(v)去除率（144 h）分別為21.94%、98.57%和98.57%（圖1a）。與固相碳源吸附作用相比，添加麥稈的生物反應器中v(v)的去除效果顯著增強，表明麥稈作為固體碳源強化微生物除釩的可行性和有效性。且xrd分析（圖1b）證實了實驗結束后沉積物中vo2的存在，進一步表明了v(v)被微生物還原為v(iv)。

圖1 (a)木屑、麥稈和玉米芯對v(v)的去除效果

     (b) 反應沉淀物xrd譜圖（均來自原文）

02 麥稈強化微生物除釩的適宜粒徑確定

選取粒徑為1-3、3-5和5-7 mm的麥稈探究了不同粒徑對v(v)去除效果的影響。結果顯示（圖2a），隨著麥稈粒徑的增加，微生物v(v)去除效率逐漸降低。添加1-3 mm時v(v)去除率最高，為70.2%（102 h），而僅接種污泥不添加秸稈的對照組中，v(v)去除率為9.7%。因此1-3 mm是本研究中強化微生物除釩的最佳粒徑。

圖2 (a) 不同粒徑麥稈對v(v)去除效果

(b) 不同粒徑麥稈實驗組中toc變化情況（均來自原文）

     60和102 h的toc分析結果如圖2b所示，在對照組中（只接種污泥），toc隨時間的增加顯著降低。添加粒徑為1-3 mm時，toc含量稍微有所增加。然而，添加3-5和5-7 mm秸稈時，toc顯著增加。toc值變化趨勢與上述v(v)的實驗結果相對應，推測粒徑為1-3 mm麥稈有助于微生物更好地利用碳源并對v(v)進行有效去除（70.2%）。

03麥稈強化微生物除釩過程中的主要貢獻者

圖3 微生物群落物種組成分析（屬水平）（來自原文）

     在屬水平上發現了可耐受或有助于v(v)還原和纖維素降解的功能性微生物（圖3），例如enterobacteriaceae（腸桿菌屬）、pseudomonas（假單胞菌屬）和thauera（索式菌屬）等。此外，其中已被報道的纖維素降解相關菌屬還有exiguobacterium（微桿菌屬）、paenibacillus（類芽孢桿菌屬）和cellulomonas（纖維單胞菌屬）等。已被報道可有助于v(v)還原的菌屬還包括bacillus（芽苞桿菌屬）、exiguobacterium（微桿菌屬）、paenibacillus（類芽孢桿菌屬）、和acinetobacter（不動桿菌屬）等。

04結論

（1）木屑、麥稈和玉米芯作為固相碳源均可強化地下水中微生物除釩，其中，麥稈強化組對v(v)的去除率最高（98.6%, 144 h）;

（2）v(v)去除率隨著麥秸粒徑的減小而逐漸增加，且v(v)被還原為毒性較小的v(iv);

（3）可耐受重金屬和纖維素降解相關功能性微生物在群落中分布廣泛，并占主導地位。

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