摘要
针对当前土壤重金属污染严重，世界范围内能源短缺的情况，本研究基于系统生物学的思想，采用苜蓿草对矿区重金属污染土壤进行植物修复，分析添加活性炭对牛粪苜蓿草厌氧发酵产气量和过程机制的影响，最后对发酵产物有机肥的风险进行评估，对其肥效及对植物生长进行了探究。具体的研究结果如下: (1)本研究调查区域土壤的重金属污染程度随矿业活动而增加，污染重金属中Zn含量最高，Cd的污染程度最大。苜蓿草可富集大部分金属，且富集金属主要集中在地上部分。苜蓿草对Zn的富集能力最强，对Cd的富集能力较低。苜蓿草对Fe、Cu、Ni的吸收与其在土壤中的含量呈正相关，可用于矿区土壤修复。 (2)苜蓿草牛粪混合厌氧发酵的累积产气量为47.16mL/gTS，通过添加活性炭可以使累积产气量增加到108.04mL/gTS，并且提高了CH4的含量和稳定性。添加活性炭可抑制NH4+-N的产生，促进COD和VFA的生成，造成pH值的降低。活性炭的表面结构有利于微生物的生长，Prevotella_7、Bacteroides、Ruminococcus_1为优势细菌属，Methanobacterium和Methanosarcina为优势古菌属。活性炭上的微生物加快了半纤维素分解，提高VFA的产率。活性炭上Petrimonas和Methanosarcina组成的直接种间电子转移能有效提升产CH4的效率。活性炭的吸附量随着发酵进行不断增加，对Fe的吸附最明显。pH对金属的影响较大。活性炭表面孔洞结构丰富，经过厌氧发酵后，活性炭表面有大量微生物覆盖。在活性炭上检测到大量羧酸基团，有机物的红外峰值在反应初始时较强，随发酵进行逐渐减弱。 (3)苜蓿草发酵产物中重金属含量未超标，添加活性炭后Zn含量超标，但主要以残渣态为主，污染风险较小。由于牛粪、苜蓿草及其他生物质N含量较低造成沼肥总营养含量相对较低。苜蓿草沼液浸种对玉米发芽有一定的抑制作用，沼渣施肥对玉米生长有一定促进作用，但促进作用没有其他沼渣明显（牛粪沼渣、酒渣沼渣和玉&酒沼渣）。 本研究综合调查了苜蓿草植物修复和资源化利用的可行性，结果表明在整个过程中，苜蓿草实现了重金属去除和能源高效生产的目标。苜蓿草用作植物修复可吸附除Cd外的大部分金属。金属修复苜蓿草在厌氧发酵后有较大的产气能力，且可通过添加活性炭进一步强化。活性炭有效促进了底物的降解，调节了发酵体系中金属的含量，为微生物生长提供了附着环境。发酵产物沼渣也可进一步用作有机肥提高农作物生长。本文为土壤重金属的处理和能源的清洁生产提供了综合的解决思路，为优化厌氧发酵过程、探究发酵机理提供了理论依据。
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