【摘要】： 從20世紀(jì)開始,隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展所帶來的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重,控制和治理環(huán)境污染是當(dāng)前世界面臨的巨大挑戰(zhàn)。其中重金屬污染土壤的治理是目前國際上難點(diǎn)和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。土壤中的重金屬污染,不僅使土壤肥力退化,降低作物產(chǎn)量與質(zhì)量,而且惡化水環(huán)境,并通過食物鏈在人和生物體內(nèi)富集,嚴(yán)重威脅著人類的生命和健康。植物修復(fù)是一項(xiàng)新興的、綠色的、環(huán)境友好的和廉價(jià)的重金屬污染土壤治理方法。土壤中重金屬的生物有效性低是制約植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的瓶頸,微生物的生物活性能夠影響重金屬的生物有效性,可強(qiáng)化植物修復(fù)的效果,微生物-植物聯(lián)合修復(fù)是土壤重金屬污染治理的一條重要途徑,但應(yīng)用難度較大,尚未獲得突破性進(jìn)展。本研究采用盆栽模擬及微生物篩選等技術(shù)手段,針對提高植物修復(fù)土壤重金屬污染效果的問題開展試驗(yàn),系統(tǒng)摸索了印度芥菜等9種植物對重金屬Cd、Pb、Zn的吸收累積規(guī)律及在砂培和土培基質(zhì)下吸收能力的差異;研究了其生理生化指標(biāo)和根區(qū)微生物數(shù)量分布在重金屬脅迫下的變化規(guī)律;驗(yàn)證了特異功能微生物和土壤中某些產(chǎn)酸微生物對土壤中重金屬生物有效性和植物吸收的有利影響,并對篩選出的微生物進(jìn)行了菌種鑒定和產(chǎn)物分析。主要研究結(jié)果歸納如下: (1)在土壤Cd、Pb、Zn復(fù)合污染處理?xiàng)l件下,7個(gè)品種地上部對Cd的富集量平均值在2.73~51.23mg/kg之間,地下部對Cd的富集量平均值為在7.32~101.33mg/kg之間。地上部對Pb的富集量平均值在16.87~75.03mg/kg之間,地下部對Pb的富集量平均值為在28.85~613.36 mg/kg之間。地上部對Zn的富集量平均值在153.53~7346.59 mg/kg之間,地下部對Zn的富集量平均值為在348.91~954.29mg/kg之間�？傮w來講,三種重金屬在印度芥菜體內(nèi)的轉(zhuǎn)移活動(dòng)能力大小為ZnCdPb,七個(gè)品種印度芥菜對重金屬富集能力大小為:CdZnPb。高羊茅Cd、Pb、Zn的平均富集量,地上部分別為5.76、19.77、418.18mg/kg,地下部分別為129.82、256.66、354.66 mg/kg;黑麥草Cd、Pb、Zn的平均富集量,地上部分別為:5.57、26.13、467.18 mg/kg,地下部分別為:114.53、155.98、513.48 mg/kg。通過方差分析,這兩種草坪草的重金屬富集量沒有顯著差異,并且富集規(guī)律呈現(xiàn)較為一致的特點(diǎn)。地上部的富集量和土壤重金屬含量的離子沖量呈顯著的線性相關(guān)。這兩種草坪草對其重金屬的富集能力順序?yàn)?ZnCdPb,其中對Zn的吸收呈現(xiàn)富集植物的特性規(guī)律,當(dāng)土壤Zn含量400mg/kg時(shí),其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)1,地上部對Zn的富集能力很強(qiáng),可作為Zn污染土壤的修復(fù)植物。通過偏相關(guān)和多元回歸分析表明,這兩種草坪草在土壤Cd、Pb、Zn復(fù)合污染條件下均未產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)。 (2)在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上選擇印度芥菜(Wild Garden Pangent Mix)為供試植物,研究了其對土壤Cd污染的耐性,以及生理生化特性和根區(qū)微生物的變化對Cd污染的響應(yīng)。印度芥菜對Cd表現(xiàn)了較強(qiáng)的耐性,在Cd添加量為0~200mg/kg的情況下,印度芥菜能夠順利發(fā)芽、生長,其生物量出現(xiàn)了先增后降的“拋物線型”變化規(guī)律,Cd主要影響其生殖生長,大量的Cd使印度芥菜延遲進(jìn)入生育期。植株體內(nèi)Cd濃度隨土壤Cd濃度增加而升高,地上部可達(dá)7.824~102.672mg/kg,地下部可達(dá)0.374~191.910mg/kg。地上部富集系數(shù)呈逐漸降低的趨勢,而地下部富集系數(shù)呈逐漸升高的趨勢。轉(zhuǎn)移系數(shù)為20.920~0.535,呈逐漸降低趨勢。隨著土壤Cd脅迫濃度的增加,印度芥菜3種酶活性均呈先增后降的“拋物線型”變化趨勢,并且出現(xiàn)抗性酶活性高峰所對應(yīng)的土壤Cd濃度相同,均為120mg/kg,在土壤Cd高濃度水平下,酶活性普遍受到抑制,在最高濃度處理時(shí)的酶活性均明顯低于對照。根區(qū)土壤中微生物數(shù)量:細(xì)菌放線菌霉菌,隨著Cd添加量的增加,土體內(nèi)微生物的數(shù)量也隨之增加,Cd添加量160mg/kg時(shí),微生物數(shù)量下降。 (3)分別以石英砂和潮褐土為栽培基質(zhì),探討重金屬生物有效性的不同對印度芥菜修復(fù)效率的影響,另與接種巨大芽胞桿菌和膠質(zhì)芽胞桿菌微生物制劑的處理相比較,研究發(fā)現(xiàn),印度芥菜在砂培基質(zhì)中對重金屬的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土培基質(zhì),其中Cd表現(xiàn)最為明顯。對于地上部,砂培基質(zhì)中Cd含量為土培基質(zhì)中的10.99倍、Pb為6.19倍、Zn為1.72倍;對于地下部,砂培基質(zhì)中Cd含量為土培基質(zhì)中的33.95倍、Pb為28.04倍、Zn為10.61倍。地下部對重金屬的吸收富集能力遠(yuǎn)高于地上部,約為地上部的1~3倍。經(jīng)微生物處理后,印度芥菜吸收重金屬Cd、Pb、Zn的量介于土培和砂培之間,微生物可強(qiáng)化植物對重金屬的吸收。這說明,富集植物印度芥菜對重金屬具有加極大的吸收潛力,但另一關(guān)鍵技術(shù)是土壤中重金屬的活化問題,因此研究微生物及絡(luò)合劑等的增效作用意義重大。 (4)通過模擬試驗(yàn)研究了EDTA對印度芥菜修復(fù)Cd污染土壤的增效作用,探討了EDTA施入量與施入階段不同對復(fù)合污染土壤中Cd、Pb、Zn的活化能力和印度芥菜吸收3種重金屬的影響。結(jié)果表明:Cd添加量相同的條件下,EDTA的施入使印度芥菜生物量顯著下降,地上部Cd吸收量顯著增加,重金屬提取量是未施入EDTA組的0.5~1.63倍,收獲時(shí)土壤有效態(tài)Cd含量施入組低于未施入組;生物量和Cd吸收量隨著Cd添加量的增加呈現(xiàn)先升高后下降的拋物線型規(guī)律,臨界Cd添加量為120mg/kg。一次性使用劑量為1 mmol·kg-1及分3個(gè)階段施入1 mmol·kg-1取得了最佳修復(fù)效果,前者印度芥菜對Cd、Pb的提取量分別是對照的1.21倍、2.66倍,Zn則略低于對照;后者是對照的1.13倍、3.78倍、1.29倍。將最優(yōu)方案應(yīng)用于微區(qū)試驗(yàn),地上部重金屬含量較對照顯著增加,對Cd、Pb、Zn的提取量分別是對照的1.24、2.06、2.07倍。 (5)針對提高植物修復(fù)土壤重金屬污染效果的問題,通過盆栽試驗(yàn)以印度芥菜作為超富集植物,研究了巨大芽胞桿菌和膠質(zhì)芽胞桿菌的混合微生物制劑、黑曲霉30177發(fā)酵液和黑曲霉30582發(fā)酵液對植物修復(fù)Cd、Pb、Zn污染土壤的作用效果。結(jié)果表明:巨大芽胞桿菌和膠質(zhì)芽胞桿菌的混合微生物制劑,不僅可以促進(jìn)超富集植物的生長,增強(qiáng)超富集植物對土壤Cd、Pb、Zn的吸收,而且大幅度地提高植物修復(fù)效率。在添加外源可溶性Cd、Pb、Zn污染土壤上,可分別提高印度芥菜提取量(以植物干重計(jì))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,可分別提高其提取量的4.00倍、0.64倍和0.65倍,在底泥污染的土壤上的促進(jìn)效果明顯強(qiáng)于外源添加污染的土壤。黑曲霉30177發(fā)酵液能顯著促進(jìn)印度芥菜對土壤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,分別比對照提高88.82%、129.04%和16.80%;在添加底泥Cd、Pb、Zn污染的土壤上,可分別比對照提高78.95%、113.63%和33.85%;但它導(dǎo)致印度芥菜生物量的大幅度降低,并未起到提高植物修復(fù)提取量的效果。黑曲霉30582發(fā)酵液表現(xiàn)出了鈍化土壤Cd、Pb、Zn的作用,對于微生物原位固定修復(fù)Cd、Pb、Zn污染土壤有一定的研究價(jià)值。經(jīng)反相高效液相色譜初步分析發(fā)現(xiàn),膠質(zhì)芽胞桿菌、巨大芽胞桿菌發(fā)酵液中含有草酸、檸檬酸等有機(jī)酸。 (6)從自然狀態(tài)下污染土壤中共篩選得到產(chǎn)酸菌28株,通過盆栽試驗(yàn)驗(yàn)證,研究發(fā)現(xiàn)編號為A-4-2、b-1-0、c-5-5、c-4-0的菌株對印度芥菜吸收重金屬有很好的促進(jìn)作用,編號為b-3-7的菌株對印度芥菜吸收重金屬有顯著抑制作用。對上述菌株進(jìn)行生理生化分析和16S rDNA的提取純化及測序,它們分別為:c-4-0為反硝化利斯特氏菌(Listeria denitrificans),b-1-0為環(huán)狀芽孢桿菌(Bacillus cirallans),c-5-5為格氏利斯特氏菌(Listeria grayi),b-3-7為干燥奈瑟氏球菌(Neisseria sicca)。將其發(fā)酵液經(jīng)反相高效液相色譜分析,發(fā)現(xiàn)這些菌株的發(fā)酵液代謝產(chǎn)物中含有草酸、酒石酸、蘋果酸等低分子量有機(jī)酸,這些有機(jī)酸影響了土壤中重金屬元素的存在形態(tài),即生物有效性,進(jìn)而影響了植物對重金屬元素的吸收。 綜上所述,修復(fù)植物具有極高的富集土壤中重金屬的能力,但重金屬在土壤中存在的形態(tài)限制了植物修復(fù)的效率。一些促進(jìn)植物修復(fù)的技術(shù)是十分必要的,微生物強(qiáng)化植物修復(fù)顯示出廣闊的前景。
【圖文】：

過濾物地表水葵、水葫蘆植 物穩(wěn)定污染物穩(wěn)定土壤、沉積物、污泥As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Sr印度芥菜、向日葵工程應(yīng)用植 物揮發(fā)從介質(zhì)中提取揮發(fā)至空氣中地下水、土壤、沉積物、污泥有機(jī)氯溶劑、As、Se、Hg楊樹、樺樹、印度芥菜實(shí)驗(yàn)室、野外工程應(yīng)用1.2.2.3 重金屬超積累植物研究動(dòng)態(tài)超積累植物（Hyperaccumulator）是指對重金屬元素的吸收超過一般植物 100 倍以上的植物它是植物修復(fù)的基礎(chǔ)。通常，超積累植物的界定可考慮以下兩個(gè)主要因素：植物地上部富集的重金屬應(yīng)達(dá)到一定的量；植物地上部的重金屬含量應(yīng)高于地下部。由于各種重金屬元素在地殼中的豐度及在土壤和植物中的背景值存在較大差異，因此，對不同重金屬，其超積累植物富集濃度界限也有所不同。目前采用較多的超富集植物的界定是依據(jù) Baker 和 Brooks（1983）提出的參考值即把植物葉片或地上部（干重）中含 Cd 達(dá)到 100mg/kg，含 Co、Cu、Ni、Pb 達(dá)到 1000mg/kg，Mn、Zn 達(dá)到 10000mg/kg 以上的植物稱為超積累植物，同時(shí)要滿足 S/R＞1 的條件（S 和 R 分別指植物地上部和根部重金屬的含量）。迄今發(fā)現(xiàn)超積累植物 480 種，廣泛分布于約 50 個(gè)科，絕大多數(shù)屬于鎳超積累植物（329 種）；銅超積累植物 37 種、鈷超積累植物 29 種、鋅超積累植物21 種、硒超積累植物 20 種、鉛超積累植物 17 種、錳超積累植物 13 種，其它超積累植物種類較少。

圖 1-3 土壤中植物有效態(tài)金屬元素庫（引自 Morel，1997）Figure1-3 Pools of phytoavailable metals in soils( from Morel, 1997)1.3.2 植物修復(fù)技術(shù)強(qiáng)化措施植物修復(fù)是利用修復(fù)植物治理污染環(huán)境的一門新技術(shù)，不管修復(fù)植物對污染土壤的修復(fù)能力有多強(qiáng)，其能否成功應(yīng)用于實(shí)踐，歸根到底需要有相應(yīng)的配套的農(nóng)藝措施，還要有切實(shí)可行的技術(shù)強(qiáng)化措施，這樣才能切實(shí)提高修復(fù)效率，盡可能地縮短修復(fù)時(shí)間。重金屬進(jìn)入土壤后，，大多數(shù)與土壤中的有機(jī)物或無機(jī)物形成不溶性沉淀或吸附在土壤顆粒表面而難以被植物吸收。通過一些活化措施，可以增加土壤溶液中重金屬的濃度，從而提高對重金屬污染土壤的修復(fù)效率。1.3.2.1 絡(luò)合誘導(dǎo)污染土壤中重金屬的活化施用低分子量的螯合劑，可使土壤固定重金屬的螯合釋放，增加土壤溶液中可被植物吸收的重金屬形態(tài)，大幅度地提高植物對重金屬的吸取和富集能力。常用的人工合成的螯合劑有 EDTA、DTPA、CDTA、EGTA 及檸檬酸等。駱永明施用以上螯合劑，明顯提高了土壤中 Pb、Zn、Cd、Cu 等的溶解度，從而大幅度地增加植物地上部的重金屬富集量，使污染土壤的金屬含量降低[49]。Blaylock 和 Huang(1997)研究了土壤施用螯合劑對于增加 Pb 的溶解度和增強(qiáng)植物吸收的影響效果
【學(xué)位授予單位】：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：X53

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號：2665963