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Cd、Pb、Zn污染潮褐土的植物修复及其强化技术研究

作　者: 杨卓
导　师: 李博文；张毅功
学　校: 河北农业大学
专　业: 土壤学
关键词: 植物修复土壤污染镉铅锌印度芥菜微生物促进
分类号: X53
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

从20世纪开始,随着工业的迅猛发展所带来的环境污染越来越严重,控制和治理环境污染是当前世界面临的巨大挑战。其中重金属污染土壤的治理是目前国际上难点和热点研究领域之一。土壤中的重金属污染,不仅使土壤肥力退化,降低作物产量与质量,而且恶化水环境,并通过食物链在人和生物体内富集,严重威胁着人类的生命和健康。植物修复是一项新兴的、绿色的、环境友好的和廉价的重金属污染土壤治理方法。土壤中重金属的生物有效性低是制约植物修复技术发展的瓶颈,微生物的生物活性能够影响重金属的生物有效性,可强化植物修复的效果,微生物-植物联合修复是土壤重金属污染治理的一条重要途径,但应用难度较大,尚未获得突破性进展。本研究采用盆栽模拟及微生物筛选等技术手段,针对提高植物修复土壤重金属污染效果的问题开展试验,系统摸索了印度芥菜等9种植物对重金属Cd、Pb、Zn的吸收累积规律及在砂培和土培基质下吸收能力的差异;研究了其生理生化指标和根区微生物数量分布在重金属胁迫下的变化规律;验证了特异功能微生物和土壤中某些产酸微生物对土壤中重金属生物有效性和植物吸收的有利影响,并对筛选出的微生物进行了菌种鉴定和产物分析。主要研究结果归纳如下:(1)在土壤Cd、Pb、Zn复合污染处理条件下,7个品种地上部对Cd的富集量平均值在2.73~51.23mg/kg之间,地下部对Cd的富集量平均值为在7.32~101.33mg/kg之间。地上部对Pb的富集量平均值在16.87~75.03mg/kg之间,地下部对Pb的富集量平均值为在28.85~613.36 mg/kg之间。地上部对Zn的富集量平均值在153.53~7346.59 mg/kg之间,地下部对Zn的富集量平均值为在348.91~954.29mg/kg之间。总体来讲,三种重金属在印度芥菜体内的转移活动能力大小为Zn>Cd>Pb,七个品种印度芥菜对重金属富集能力大小为:Cd>Zn>Pb。高羊茅Cd、Pb、Zn的平均富集量,地上部分别为5.76、19.77、418.18mg/kg,地下部分别为129.82、256.66、354.66 mg/kg;黑麦草Cd、Pb、Zn的平均富集量,地上部分别为:5.57、26.13、467.18 mg/kg,地下部分别为:114.53、155.98、513.48 mg/kg。通过方差分析,这两种草坪草的重金属富集量没有显著差异,并且富集规律呈现较为一致的特点。地上部的富集量和土壤重金属含量的离子冲量呈显著的线性相关。这两种草坪草对其重金属的富集能力顺序为:Zn>Cd>Pb,其中对Zn的吸收呈现富集植物的特性规律,当土壤Zn含量>400mg/kg时,其转运系数>1,地上部对Zn的富集能力很强,可作为Zn污染土壤的修复植物。通过偏相关和多元回归分析表明,这两种草坪草在土壤Cd、Pb、Zn复合污染条件下均未产生复合效应。(2)在上述试验基础上选择印度芥菜(Wild Garden Pangent Mix)为供试植物,研究了其对土壤Cd污染的耐性,以及生理生化特性和根区微生物的变化对Cd污染的响应。印度芥菜对Cd表现了较强的耐性,在Cd添加量为0~200mg/kg的情况下,印度芥菜能够顺利发芽、生长,其生物量出现了先增后降的“抛物线型”变化规律,Cd主要影响其生殖生长,大量的Cd使印度芥菜延迟进入生育期。植株体内Cd浓度随土壤Cd浓度增加而升高,地上部可达7.824~102.672mg/kg,地下部可达0.374~191.910mg/kg。地上部富集系数呈逐渐降低的趋势,而地下部富集系数呈逐渐升高的趋势。转移系数为20.920~0.535,呈逐渐降低趋势。随着土壤Cd胁迫浓度的增加,印度芥菜3种酶活性均呈先增后降的“抛物线型”变化趋势,并且出现抗性酶活性高峰所对应的土壤Cd浓度相同,均为120mg/kg,在土壤Cd高浓度水平下,酶活性普遍受到抑制,在最高浓度处理时的酶活性均明显低于对照。根区土壤中微生物数量:细菌>放线菌>霉菌,随着Cd添加量的增加,土体内微生物的数量也随之增加,Cd添加量>160mg/kg时,微生物数量下降。(3)分别以石英砂和潮褐土为栽培基质,探讨重金属生物有效性的不同对印度芥菜修复效率的影响,另与接种巨大芽胞杆菌和胶质芽胞杆菌微生物制剂的处理相比较,研究发现,印度芥菜在砂培基质中对重金属的吸收量远远大于土培基质,其中Cd表现最为明显。对于地上部,砂培基质中Cd含量为土培基质中的10.99倍、Pb为6.19倍、Zn为1.72倍;对于地下部,砂培基质中Cd含量为土培基质中的33.95倍、Pb为28.04倍、Zn为10.61倍。地下部对重金属的吸收富集能力远高于地上部,约为地上部的1~3倍。经微生物处理后,印度芥菜吸收重金属Cd、Pb、Zn的量介于土培和砂培之间,微生物可强化植物对重金属的吸收。这说明,富集植物印度芥菜对重金属具有加极大的吸收潜力,但另一关键技术是土壤中重金属的活化问题,因此研究微生物及络合剂等的增效作用意义重大。(4)通过模拟试验研究了EDTA对印度芥菜修复Cd污染土壤的增效作用,探讨了EDTA施入量与施入阶段不同对复合污染土壤中Cd、Pb、Zn的活化能力和印度芥菜吸收3种重金属的影响。结果表明:Cd添加量相同的条件下,EDTA的施入使印度芥菜生物量显著下降,地上部Cd吸收量显著增加,重金属提取量是未施入EDTA组的0.5~1.63倍,收获时土壤有效态Cd含量施入组低于未施入组;生物量和Cd吸收量随着Cd添加量的增加呈现先升高后下降的抛物线型规律,临界Cd添加量为120mg/kg。一次性使用剂量为1 mmol·kg-1及分3个阶段施入1 mmol·kg-1取得了最佳修复效果,前者印度芥菜对Cd、Pb的提取量分别是对照的1.21倍、2.66倍,Zn则略低于对照;后者是对照的1.13倍、3.78倍、1.29倍。将最优方案应用于微区试验,地上部重金属含量较对照显著增加,对Cd、Pb、Zn的提取量分别是对照的1.24、2.06、2.07倍。(5)针对提高植物修复土壤重金属污染效果的问题,通过盆栽试验以印度芥菜作为超富集植物,研究了巨大芽胞杆菌和胶质芽胞杆菌的混合微生物制剂、黑曲霉30177发酵液和黑曲霉30582发酵液对植物修复Cd、Pb、Zn污染土壤的作用效果。结果表明:巨大芽胞杆菌和胶质芽胞杆菌的混合微生物制剂,不仅可以促进超富集植物的生长,增强超富集植物对土壤Cd、Pb、Zn的吸收,而且大幅度地提高植物修复效率。在添加外源可溶性Cd、Pb、Zn污染土壤上,可分别提高印度芥菜提取量(以植物干重计)的1.18倍、1.54倍和0.85倍,在添加底泥Cd、Pb、Zn污染的土壤上,可分别提高其提取量的4.00倍、0.64倍和0.65倍,在底泥污染的土壤上的促进效果明显强于外源添加污染的土壤。黑曲霉30177发酵液能显著促进印度芥菜对土壤Cd、Pb、Zn的吸收,在添加外源可溶性Cd、Pb、Zn污染土壤上,印度芥菜地上部Cd、Pb、Zn吸收量,分别比对照提高88.82%、129.04%和16.80%;在添加底泥Cd、Pb、Zn污染的土壤上,可分别比对照提高78.95%、113.63%和33.85%;但它导致印度芥菜生物量的大幅度降低,并未起到提高植物修复提取量的效果。黑曲霉30582发酵液表现出了钝化土壤Cd、Pb、Zn的作用,对于微生物原位固定修复Cd、Pb、Zn污染土壤有一定的研究价值。经反相高效液相色谱初步分析发现,胶质芽胞杆菌、巨大芽胞杆菌发酵液中含有草酸、柠檬酸等有机酸。(6)从自然状态下污染土壤中共筛选得到产酸菌28株,通过盆栽试验验证,研究发现编号为A-4-2、b-1-0、c-5-5、c-4-0的菌株对印度芥菜吸收重金属有很好的促进作用,编号为b-3-7的菌株对印度芥菜吸收重金属有显著抑制作用。对上述菌株进行生理生化分析和16S rDNA的提取纯化及测序,它们分别为:c-4-0为反硝化利斯特氏菌(Listeria denitrificans),b-1-0为环状芽孢杆菌(Bacillus cirallans),c-5-5为格氏利斯特氏菌(Listeria grayi),b-3-7为干燥奈瑟氏球菌(Neisseria sicca)。将其发酵液经反相高效液相色谱分析,发现这些菌株的发酵液代谢产物中含有草酸、酒石酸、苹果酸等低分子量有机酸,这些有机酸影响了土壤中重金属元素的存在形态,即生物有效性,进而影响了植物对重金属元素的吸收。综上所述,修复植物具有极高的富集土壤中重金属的能力,但重金属在土壤中存在的形态限制了植物修复的效率。一些促进植物修复的技术是十分必要的,微生物强化植物修复显示出广阔的前景。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-15
第一章土壤重金属污染过程、生态效应及植物修复研究进展  15-32
  1.1 土壤重金属污染的现状、危害与特点  15-18
    1.1.1 土壤重金属污染的现状与危害  15-16
    1.1.2 土壤重金属污染的特点  16-17
    1.1.3 土壤重金属污染的治理途径  17-18
  1.2 重金属污染的生物修复技术  18-27
    1.2.1 微生物对土壤重金属污染的修复研究  18-19
    1.2.2 土壤重金属污染的植物修复技术及其特点  19-27
  1.3 植物修复的局限性及亟待解决的问题和技术强化  27-32
    1.3.1 土壤中重金属的生物有效性  27-29
    1.3.2 植物修复技术强化措施  29-32
第二章总体思路与试验设计  32-37
  2.1 立题依据与背景  32-33
  2.2 研究意义  33-34
  2.3 研究内容  34-35
    2.3.1 Cd、Pb、Zn 复合污染土壤超富集植物的筛选研究  34
    2.3.2 重金属生物有效性对植物吸收的影响研究  34
    2.3.3 印度芥菜根区微生物及生理生化指标对镉胁迫的响应研究  34
    2.3.4 特异功能微生物强化印度芥菜修复重金属污染土壤效果研究  34
    2.3.5 土壤中产酸菌的筛选及其对土壤中重金属生物有效性的影响研究  34-35
    2.3.6 目标微生物的菌种鉴定及代谢产物分析研究  35
  2.4 拟解决的关键问题  35
  2.5 技术路线  35-37
第三章 Cd、Pb、Zn 复合污染土壤超富集植物的筛选  37-53
  3.1 材料与方法  37-39
    3.1.1 供试材料  37-38
    3.1.2 试验方案与布置  38
    3.1.3 样品的采集、测试与分析  38-39
    3.1.4 数据处理  39
  3.2 结果与分析  39-51
    3.2.1 印度芥菜的生长状况及生物学特征  39-40
    3.2.2 复合污染条件下印度芥菜对Cd、Pb、Zn 的吸收  40-44
    3.2.3 七个品种印度芥菜转移系数与富集系数比较分析  44-45
    3.2.4 印度芥菜品种Ⅶ（Wild Garden Pangent Mix）吸收重金属的能力与特点  45-46
    3.2.5 印度芥菜品种Ⅶ（Wild Garden Pangent Mix）富集系数与提取量特点分析  46-47
    3.2.6 重金属毒害下黑麦草和高羊茅的生长状况分析  47
    3.2.7 高羊茅和黑麦草对土壤Cd、Pb、Zn 的富集特征  47-49
    3.2.8 土壤Cd、Zn、Pb 复合污染处理的植物吸收效应  49-51
  3.3 小结  51-53
第四章印度芥菜对Cd 的耐性及其根区微生物和生理生化指标对Cd 胁迫的响应  53-61
  4.1 材料与方法  53-56
    4.1.1 供试材料  53-54
    4.1.2 试验方案与布置  54
    4.1.3 样品的采集、测试与分析  54-56
    4.1.4 数据处理  56
  4.2 结果与分析  56-59
    4.2.1 Cd 污染对印度芥菜生长的影响  56-57
    4.2.2 印度芥菜对Cd 的耐性及吸收累积特征  57-58
    4.2.3 Cd 污染下印度芥菜部分生理生化指标的变化特征  58-59
    4.2.4 Cd 不同处理水平印度芥菜土壤中微生物数量变化分析  59
  4.3 小结  59-61
第五章重金属生物有效性对印度芥菜吸收能力的影响  61-68
  5.1 材料与方法  61-62
    5.1.1 供试材料  61
    5.1.2 试验方案与布置  61-62
    5.1.3 样品测试与分析  62
  5.2 结果与分析  62-67
    5.2.1 印度芥菜的生物学特征  62-63
    5.2.2 不同基质条件下印度芥菜吸收重金属Cd、Pb、Zn 的能力差异分析  63-65
    5.2.3 不同基质条件下印度芥菜富集效应特点分析  65-67
  5.3 小结  67-68
第六章印度芥菜修复重金属污染土壤的EDTA 调控效果研究  68-75
  6.1 材料与方法  68-70
    6.1.1 供试材料  68-69
    6.1.2 试验方案与布置  69-70
    6.1.3 样品的采集、测试与分析  70
  6.2 结果与分析  70-74
    6.2.1 DETA 诱导印度芥菜富集Cd 增效研究  70-72
    6.2.2 EDTA 施用量不同对印度芥菜富集Cd、Pb、Zn 效果的影响  72-73
    6.2.3 EDTA 施用阶段不同对印度芥菜富集Cd、Pb、Zn 效果的影响  73
    6.2.4 最优处理下EDTA 诱导对印度芥菜吸收重金属的影响  73-74
  6.3 小结  74-75
第七章微生物促进植物修复 Cd、Pb、Zn 污染土壤的效果研究  75-85
  7.1 材料与方法  75-78
    7.1.1 供试材料  75-76
    7.1.2 试验方案与布置  76-77
    7.1.3 样品的采集、测试与分析  77-78
  7.2 结果与分析  78-83
    7.2.1 接种微生物对印度芥菜生长发育的影响  78-79
    7.2.2 微生物处理对印度芥菜重金属吸收量的影响  79-80
    7.2.3 微生物处理对土壤有效态重金属含量的影响  80
    7.2.4 微生物处理对印度芥菜重金属提取量的影响  80-81
    7.2.5 不同处理植株体内部分生理生化指标的变化  81
    7.2.6 功能微生物代谢产物分析  81-83
  7.3 小结  83-85
第八章土壤中促进植物修复产酸菌的筛选及机理初探  85-103
  8.1 材料与方法  85-94
    8.1.1 供试材料  85-86
    8.1.2 土壤中产酸菌的筛选  86-87
    8.1.3 土壤中产酸菌对土壤中重金属生物有效性的影响  87
    8.1.4 土壤中产酸菌的菌种鉴定  87-94
  8.2 结果与分析  94-102
    8.2.1 土壤中产酸菌的筛选  94
    8.2.2 产酸菌的施入对印度芥菜吸收重金属的影响  94-96
    8.2.3 产酸菌的菌种签定结果  96-97
    8.2.4 16S rDNA 的提取与纯化  97-100
    8.2.5 反相高效液相色谱法对产酸菌的产物分析  100-102
  8.3 小结  102-103
第九章结论与展望  103-108
  9.1 主要研究结果  103-105
  9.2 创新点  105-106
    9.2.1 揭示了重金属生物有效性不同对植物吸收的影响程度  105
    9.2.2 揭示了印度芥菜生理生化指标及根区微生物对Cd 胁迫的响应  105
    9.2.3 寻找出强化印度芥菜修复重金属污染土壤的特异功能微生物  105
    9.2.4 筛选出对土壤中重金属生物有效性产生影响的土著产酸菌  105
    9.2.5 初步完成对目标微生物的菌种鉴定及代谢产物分析  105-106
  9.3 对未来研究工作的展望  106-108
    9.3.1 继续筛选修复植物及活化功能微生物  106
    9.3.2 深入探讨微生物生产、保存及代谢产物分析工作  106
    9.3.3 尝试富集植物的转基因技术研究  106-108
参考文献  108-116
攻博期间发表的论文  116-117
作者简历  117-119
致谢  119

Cd、Pb、Zn污染潮褐土的植物修复及其强化技术研究

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