【摘要】：東北地區(qū)是我國(guó)玉米種植的主要地區(qū),阿特拉津作為玉米農(nóng)田中常用的除草劑,由此導(dǎo)致大量的阿特拉津進(jìn)入東北黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),對(duì)黑土質(zhì)量構(gòu)成極大的威脅。如何在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)又安全有效的解決殘留于土壤環(huán)境中的阿特拉津,消除其對(duì)環(huán)境潛在威脅已成為亟待解決的問(wèn)題。目前,原位生物修復(fù)法被認(rèn)為是去除土壤中阿特拉津最為有效的方法。此外,相關(guān)研究報(bào)道,土壤中重要的組成部分—腐殖酸作為一種天然表面活性劑在調(diào)節(jié)微生物的活性功能方面具有一定的作用。針對(duì)上述現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與研究進(jìn)展,本文在探討腐殖酸強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室前期所分離的菌株DNS10降解阿特拉津的生物學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)構(gòu)建并優(yōu)化含有腐殖酸的功能菌株菌劑制備載體材料,并深入探討了功能菌劑的農(nóng)田原位環(huán)境中的應(yīng)用技術(shù),以期為阿特拉津污染農(nóng)田土壤的原位生物修復(fù)提供必要的技術(shù)支撐與理論基礎(chǔ),主要的研究?jī)?nèi)容與相應(yīng)結(jié)論概括如下:本文著重研究了阿特拉津降解菌株DNS10對(duì)于外源腐殖酸添加的響應(yīng)特征。測(cè)定了不同添加量(100 mg·L~(-1)-800 mg·L~(-1))腐殖酸對(duì)菌株DNS10生長(zhǎng)以及降解能力的影響。在此基礎(chǔ)上,采用相對(duì)定量PCR的方法考察了腐殖酸對(duì)于菌株DNS10降解基因表達(dá)量的調(diào)控規(guī)律。研究結(jié)果表明,腐殖酸添加能夠促進(jìn)降解菌DNS10的生長(zhǎng)并提高菌株對(duì)阿特拉津的降解速率。當(dāng)腐殖酸添加濃度達(dá)到400 mg·L~(-1)時(shí),菌株DNS10能夠在36 h就能夠?qū)⑷芤褐谐跏紳舛葹?00 mg·L~(-1)的阿特拉津完全降解。而未添加腐殖酸的對(duì)照處理經(jīng)過(guò)48 h培養(yǎng),溶液中仍有15.82%的阿特拉津剩余(阿特拉津初始濃度為100 mg·L~(-1))。腐殖酸能夠促進(jìn)菌株DNS10中阿特拉津降解基因表達(dá),經(jīng)過(guò)36 h的培養(yǎng),投加腐殖酸的處理中降解trz N的表達(dá)量較空白處理相比最高可提升了6.58倍。采用RNA-Seq測(cè)序技術(shù),考察腐殖酸添加前后菌株DNS10關(guān)鍵功能基因轉(zhuǎn)錄差異情況,進(jìn)而探討腐殖酸添加對(duì)菌株DNS10的GO功能以及基因KEGG pathway產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明:腐殖酸添加后,菌株DNS10內(nèi)共有140個(gè)基因的表達(dá)量出現(xiàn)差異。其中上調(diào)基因78個(gè),下調(diào)基因62個(gè)。對(duì)差異基因進(jìn)行GO富集分析,發(fā)現(xiàn)“精氨酸生物合成”、“谷氨酰胺家族氨基酸生物合成”以及“精氨酸代謝”的相關(guān)基因發(fā)生上調(diào),這可能有助于提高菌株對(duì)于阿特拉津耐受能力,促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)。KEGG富集分析結(jié)果與GO富集分析結(jié)果一致。為了將降解菌應(yīng)用于實(shí)際土壤修復(fù)過(guò)程中,構(gòu)建并優(yōu)化對(duì)降解菌能夠起到保護(hù)作用的載體。選用凹凸棒土、膨潤(rùn)土以及廉價(jià)高腐殖酸含量的草炭土為載體材料,采用正交實(shí)驗(yàn)法構(gòu)建并優(yōu)化菌株DNS10的載體材料配比。結(jié)果表明:當(dāng)載體配比為草炭土1.0:凹凸棒土0.5:膨潤(rùn)土1.0(A2B2C3)時(shí),室溫放置30 d后菌株存活率最高(68.48%)。此外,上述配比載體對(duì)菌株DNS10表現(xiàn)出較好的紫外條件保護(hù)作用,經(jīng)紫外線照射80 min后,載體中功能菌株存活率仍能保持60%以上。選擇效果較好的兩種處理以及菌液進(jìn)行土壤修復(fù)處理,以A2B2C3比例構(gòu)建菌劑材料投加土壤后,土壤中阿特拉津生物降解最快,28 d時(shí)降解率可達(dá)95.89%。通過(guò)對(duì)土壤中atz B和atz C定量研究發(fā)現(xiàn),A2B2C3組添加后,atz B和atz C表達(dá)情況優(yōu)于其他處理。采用盆栽培養(yǎng)方式,分別研究玉米在未污染土壤(空白處理)、阿特拉津污染土壤(污染處理)以及添加修復(fù)菌劑污染土壤(修復(fù)處理)中生長(zhǎng)、葉綠素含量、葉片MDA含量以及阿特拉津在體內(nèi)分布情況。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)21 d的培養(yǎng),污染處理玉米幼苗生物量明顯低于空白處理,而修復(fù)處理與空白處理無(wú)明顯差異。阿特拉津會(huì)降低玉米幼苗葉片葉綠素含量產(chǎn)生影響,21 d時(shí)污染處理葉片中葉綠素含量與空白和修復(fù)相比分別降低了4.58%和3.32%,其對(duì)葉綠素a影響更為明顯,僅為空白和修復(fù)處理含量的87.59%和94.67%。各處理玉米根和葉中阿特拉津積累量大于莖,修復(fù)處理中各部分阿特拉津含量均低于污染處理。與污染處理相比,修復(fù)處理根、莖和葉中阿特拉津含量分別降低了22.29%、43.21%以及31.82%。以前期優(yōu)化的草炭土、凹凸棒土和膨潤(rùn)土為主要基質(zhì),以除草劑阿特拉津降解菌DNS10為活性成分所制備出的微生物菌劑在農(nóng)田土壤中作為追肥施用后,可增加土壤處理中長(zhǎng)殘留除草劑阿特拉津的消減速率,同時(shí)顯著的增加玉米的產(chǎn)量,其中菌劑投加量為10 kg·畝~(-1)時(shí),其增產(chǎn)效果最顯著,產(chǎn)量增幅達(dá)13.92%。此外,微生物菌劑還能夠增加有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮以及速效鉀等土壤養(yǎng)分含量。通過(guò)純培養(yǎng)方式,發(fā)現(xiàn)微生物菌劑在提升作物產(chǎn)量的同時(shí),還能明顯的改變農(nóng)田土壤中的微生物區(qū)系,顯著的增加土著關(guān)鍵功能微生物,如固氮細(xì)菌、氨氧化細(xì)菌和硝化細(xì)菌等參與土壤氮素循環(huán)的關(guān)鍵微生物的數(shù)量。與未投加菌劑的土壤相比,上述功能細(xì)菌可培養(yǎng)數(shù)量在玉米收獲期最多分別增加了266.67%、190.91%以及520.75%。采用高通量技術(shù)研究菌劑對(duì)于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響,發(fā)現(xiàn)菌劑能夠提高土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性,門(mén)水平下土壤中主要菌群Proteobacteria(變形菌門(mén))、Acidobacteria(酸桿菌門(mén))、Actinobacteria(放線菌門(mén))、Bacteroidetes(擬桿菌門(mén))、Firmicutes(厚壁菌門(mén))、Planctomycetes(浮霉菌門(mén))、Lactococcus_piscium(芽單胞菌門(mén))以及Chloroflexi(綠彎菌門(mén))。阿特拉津添加后,土壤中厚壁菌門(mén)所占比例明顯增加。PCA分析結(jié)果表明造成微生物群落結(jié)構(gòu)改變的主要因素可能是阿特拉津以及菌劑的添加。
【圖文】：

阿特拉津化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1-1atrazinechemicalstructure

微生物代謝阿特拉津常見(jiàn)路徑Fig.1-2Commonmetabolizepathofatrazinebymicroorganism
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：X53;X172

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2655576