重金屬污染土壤根際脅迫機(jī)理及植物-微生物聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)研究.pdf

1、根際圈以植物根系為中心聚集了大量的生命物質(zhì)及其分泌物，構(gòu)成了極為獨(dú)特的“生態(tài)修復(fù)單元”，深入了解重金屬脅迫下的根際污染生態(tài)過(guò)程，根據(jù)根際脅迫機(jī)理研究開(kāi)發(fā)出利用植物及其共存微生物體系進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)的生物技術(shù)具有重要的意義。本文首先對(duì)微生物以及根分泌物根際作用機(jī)理進(jìn)行了分析研究，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展高效微生物選育以及進(jìn)行植物/微生物協(xié)同凈化研究，并開(kāi)發(fā)了新型高效植物/微生物聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)。本研究主要結(jié)果如下：
　　 重金屬脅迫下根際理化特

2、征及根分泌物特征分析表明玉米根際和非根際環(huán)境pH、Eh存在明顯差異，土壤類型、重金屬濃度和種類是影響這種差異的重要因素。在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，pH差異隨著Cd濃度的增加逐漸減弱。重金屬脅迫使得根分泌物中糖類泌出量激增，有機(jī)酸組分增加。5mg/kg污染水平下，Cd、Cu處理組糖類含量的增幅分別為對(duì)照組的2.5和1.5倍。土壤微生物特征分析表明，潮土氨化、硝化和反硝化微生物活性相比，以反硝化細(xì)菌對(duì)Cd的耐受性最強(qiáng)，而氨化、硝化細(xì)菌對(duì)Cd較為敏感

3、。Cd處理對(duì)氨化和硝化作用影響表現(xiàn)為低濃度刺激、高濃度抑制。玉米根際氨化、硝化和反硝化作用強(qiáng)度均明顯高于非根際土。氨化和硝化作用的“根際效應(yīng)”隨著重金屬濃度的增加表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度下降。Cd、Cu、Cr相比，Cd的生物毒性最強(qiáng)，Cr脅迫下玉米“根際效應(yīng)”最強(qiáng)。
　　 微生物和根分泌物對(duì)土壤Cu、Cd、Cr形態(tài)影響分析表明，根分泌物對(duì)重金屬活性的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面可增加有機(jī)質(zhì)含量，使有機(jī)結(jié)合態(tài)含量增加，對(duì)于Cu和

4、Cr就表現(xiàn)出了這種趨勢(shì)；另一方面有機(jī)酸等成分可促進(jìn)重金屬的溶出，使可交換態(tài)增加，對(duì)于Cd和Cu就表現(xiàn)出了這種趨勢(shì)。土壤微生物對(duì)重金屬活性的影響主要表現(xiàn)為：微生物作為具有巨大比表面積的活性有機(jī)膠團(tuán)，可以增加有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬的結(jié)合，增強(qiáng)對(duì)重金屬的固定作用；同時(shí)它具有較高的生物活性，根分泌物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入，可刺激其生物代謝，強(qiáng)化有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)土壤中有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬的釋放。
　　 對(duì)重金屬Cd脅迫下大豆全生育期微生物氮循環(huán)機(jī)制的研究表

5、明，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，Cd對(duì)非根際土壤氨化作用表現(xiàn)為：短期內(nèi)出現(xiàn)抑制作用，隨后出現(xiàn)刺激作用，最后表現(xiàn)為較好的適應(yīng)性；Cd的加入明顯抑制了非根際硝化作用強(qiáng)度，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，抑制作用逐漸減弱；非根際反硝化作用隨時(shí)間的延長(zhǎng)活性逐漸降低，Cd對(duì)反硝化作用的作用機(jī)制比較復(fù)雜，在植株的生長(zhǎng)后期，高濃度處理組非根際反硝化作用強(qiáng)度反而高于對(duì)照組，這可能與微生物的區(qū)系的變化有關(guān)。大豆不同生育期根際氮循環(huán)微生物活性的研究表明，對(duì)照組氨化作用的“根際效應(yīng)

6、”以初花期為最強(qiáng)，在成熟期最低，Cd處理后根際變化較為復(fù)雜，但總體來(lái)說(shuō)，與非根際微生物活性的變化趨勢(shì)基本一致，但變化趨勢(shì)較為平緩，表明根際環(huán)境對(duì)Cd脅迫效應(yīng)存在一定的“緩沖作用”。Cd對(duì)大豆結(jié)瘤和根瘤固氮能力具有明顯的影響，并抑制植物對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的吸收，Cd對(duì)根瘤固氮活性呈低濃度刺激、高濃度抑制規(guī)律，根瘤的顯微及亞顯微結(jié)構(gòu)分析表明高濃度Cd污染使得根瘤中的有效固氮區(qū)域減少，且菌體侵染細(xì)胞數(shù)量下降，菌體內(nèi)活性物質(zhì)多聚-β-羥基丁酸含量下降，衰

7、敗菌體數(shù)增加，根瘤固氮活性下降。Cd的加入顯著抑制植株對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的吸收，10mg/kg和20mg/kg處理組大豆植株的全氮含量的下降幅度高達(dá)43.9％和48.3％。
　　 以硫桿菌活性污泥培養(yǎng)物為菌源，分離純化得到T.thioxidans菌株，為革蘭氏陰性桿菌。該氧化硫硫桿菌接種于Cu污染土壤后，可顯著增強(qiáng)土壤中Cu的活性，20、50、200和500mg/kg污染水平下，可交換態(tài)Cu含量分別可提高12.7、30.8、64.5和32

8、.6倍。T.thioxidans對(duì)Cu具有良好的耐受性，土體中Cu濃度的增加對(duì)其活化能力并無(wú)顯著影響，T.thioxidans對(duì)潮土中Cu的活化能力顯著高于青紫泥中Cu；不同重金屬相比，T.thioxidans對(duì)重金屬的相對(duì)活化能力為Cu>Pb>Zn；外源銅形式添加的青紫泥污染土和浙江富陽(yáng)環(huán)山鄉(xiāng)青紫泥污染土比較，T.thioxidans對(duì)于外源銅的活化能力高于對(duì)青紫泥污染土Cu的活化，其可交換態(tài)占土壤Cu總量的比例分別為21.07％和1

9、4.79％。
　　 高效氧化硫硫桿菌株T.thioxidans引入土壤生物修復(fù)技術(shù)中，成功構(gòu)筑了高效“植物-微生物-菌根”復(fù)合生物修復(fù)載體。研究結(jié)果表明氧化硫硫桿菌(T.thioxidans)可與VAM真菌(G.Caledonium)產(chǎn)生協(xié)同作用，使玉米對(duì)Cu的積累能力提高了3-5倍，其對(duì)Cu的吸收能力甚至高于銅富集植物海州香薷。這顯示普通作物玉米可能具有比金屬富集植物更高的植物修復(fù)能力。將重金屬超積累/耐性植物-Cu耐性富集植

10、物海州香薷與高效氧化硫硫桿菌株T。thioxidans相結(jié)合，成功地構(gòu)筑了“超積累/耐性植物-微生物”復(fù)合生物修復(fù)載體，充分利用海州香薷具有較好的耐性和富集性能以及氧化硫硫桿菌T。thioxidans對(duì)土壤重金屬顯著的活化效能，極大地提高了海州香薷對(duì)Cu的生物提取能力，使生物修復(fù)效率比耐性富集植物普通生長(zhǎng)狀態(tài)下提高了4-5倍。土壤淋洗實(shí)驗(yàn)表明，接種T.thioxidans處理組土壤Cu的遷移較為活躍，青紫泥污染土在經(jīng)60天的淋洗后，淋洗