【摘要】：鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)是一類廣泛用為工業(yè)增塑劑的化合物,具有內(nèi)分泌干擾效應(yīng)。由于其在化合物之間采用物理連接,極易遷移到土壤中對(duì)生態(tài)安全構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。DBP不易降解,土壤中殘留的DBP可以被作物吸收并通過(guò)食物鏈傳遞到人體內(nèi),嚴(yán)重危害人類健康。因此,探索DBP在植物根際多介質(zhì)界面中的遷移、歸趨等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,對(duì)于植物-污染物互作的研究具有重要的意義。針對(duì)上述現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,本試驗(yàn)以DBP為目標(biāo)污染物,小白菜為供試植物,考察DBP在小白菜根際界面的吸附行為,通過(guò)構(gòu)建多層根箱模型深入研究了DBP在根際界面的時(shí)空變異特征,闡明根系分泌物與DBP的互作機(jī)制,在分子水平上揭示小白菜根際微生物對(duì)DBP污染的響應(yīng)。本研究主要取得以下結(jié)果:通過(guò)盆栽試驗(yàn)考察了小白菜對(duì)20 mg·kg~(-1)濃度DBP的耐受能力。小白菜對(duì)濃度為20mg·kg~(-1)DBP有一定的耐受能力,小白菜株高和根長(zhǎng)在試驗(yàn)的前28天略有抑制,隨后抑制現(xiàn)象逐漸減弱。對(duì)小白菜根系的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察,結(jié)果顯示DBP脅迫使根系部分表皮細(xì)胞脫落,減少細(xì)根部分根毛數(shù)量。觀察不同處理土壤微觀形態(tài),結(jié)果表明DBP和根系分泌物增加了土壤團(tuán)聚體數(shù)量。通過(guò)根袋試驗(yàn),探討了DBP在小白菜根際土壤的吸附行為,土壤對(duì)50 mg·L~-11 DBP的吸附在12 h內(nèi)達(dá)到平衡,根際土對(duì)DBP的吸附量高于非根際土,其最大吸附量分別為243.46mg kg~(-1)和281.95 mg kg~(-1)。吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程符合擬二級(jí)模型,吸附熱力學(xué)過(guò)程符合Freundlich模型,表明吸附過(guò)程為多層非均相的化學(xué)吸附。小白菜的種植可改變黑土對(duì)DBP的吸附能力,根際黑土對(duì)DBP的吸附力遠(yuǎn)大于非根際黑土,含有根系分泌物的根際土K_F為6.6264,是非根際土壤的2倍。通過(guò)熒光結(jié)合試驗(yàn),揭示了小白菜根系分泌物促進(jìn)土壤對(duì)DBP吸附的原因。利用GC-MS分析根系分泌物的主要成分,探討DBP對(duì)土壤養(yǎng)分和土壤結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,根系分泌物中含有碳?xì)浠衔?硫化合物和酸。根系分泌物中的大分子多糖可以增加土壤團(tuán)聚體數(shù)量,進(jìn)而增加速效磷、有機(jī)質(zhì)及溶解的有機(jī)物(DOM)的含量并促進(jìn)DBP在土壤上的吸附。通過(guò)三維激發(fā)發(fā)射矩陣(3D-EEM),同步熒光和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析根分泌物與DBP,DOM和DBP之間的相互作用。熒光光譜顯示,根系分泌物的主要成分為類蛋白質(zhì)物質(zhì),DOM的主要成分為類蛋白質(zhì)和類腐殖質(zhì)物質(zhì)。根系分泌物、DOM和DBP發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),熒光淬滅機(jī)制為靜態(tài)淬滅。根分泌物中的-COO和DOM中的-CH_2官能團(tuán)在與DBP的結(jié)合過(guò)程中起到主要作用。通過(guò)構(gòu)建多層根箱模型,揭示了DBP在小白菜根際微域內(nèi)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。DBP在根際微域內(nèi)的消減率整體呈現(xiàn)根室近根際區(qū)非根際的趨勢(shì),距離根系3 mm處DBP消減率最高,第45天的消減率可達(dá)到91%。通過(guò)3D-EEM、同步熒光光譜、二維相關(guān)光譜(2D-COS)以及2D-FTIR-COS揭示了DOM與DBP在根際微域內(nèi)結(jié)合的生物化學(xué)機(jī)制。結(jié)果顯示DBP中的烷基酯首先發(fā)生響應(yīng)并且結(jié)合強(qiáng)度最高,其次是DOM類腐殖質(zhì)物質(zhì)中的芳香族,羥基,羧酸和酚基,最后為DOM類蛋白質(zhì)物質(zhì)中的酰胺官能團(tuán)。通過(guò)高通量測(cè)序考察了小白菜根際微生物對(duì)DBP的響應(yīng)(取樣時(shí)間為7,14,21,28,45天)。DBP脅迫下增加了土壤中鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas)和鞘氨醇菌屬(Pseudarthrobacter)的數(shù)量,但根際微生物的α多樣性指數(shù)chao1、shannon、PD whole tree和observed species均有所降低,表明DBP擾亂了黑土微生物的代謝活動(dòng)和功能多樣性。根系分泌物的存在增加了土壤微生物豐度并改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu),緩解了DBP對(duì)根際微生物的脅迫,提高了土壤微生物α多樣性增加了根際土壤中放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)細(xì)菌的數(shù)量。距離根系較遠(yuǎn)的非根際土壤在第14天之后的α多樣性指數(shù)高于DBP處理(即含DBP而無(wú)小白菜種植的處理),但仍低于根際土壤,表明根際分泌物可以隨著時(shí)間的推移從根際土逐漸擴(kuò)散進(jìn)而促進(jìn)附近土壤中微生物的增長(zhǎng)。根系分泌物的存在,也可以聚集諸如Alsobacter,Lacibacter,Myceligenerans,Schrenkiella parvula和Undibacterium等獨(dú)特的菌屬降解DBP。
【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】：2019
【分類號(hào)】：X173
【圖文】：

DBP的結(jié)構(gòu)

圖 1-2 微生物代謝 DBP 的常見路徑Fig.1-2 Common Pathways of DBP Metabolism by Microorganisms 根際土壤中 DOM 與污染物的互作.1 土壤 DOM 概述土壤 DOM 是指可以溶于水并且可以通過(guò) 0.45 μm 濾膜的有機(jī)質(zhì)，代表了土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)性和生物可利用部分[100,101]，其組成成分復(fù)雜，具有高反應(yīng)性官能團(tuán)及活躍的結(jié)合2]，眾多研究表明 DOM 影響生物地球化學(xué)過(guò)程，顆粒穩(wěn)定性和運(yùn)輸，金屬絡(luò)合以及有物的環(huán)境行為[103]。不同來(lái)源的 DOM 其主要成分和結(jié)構(gòu)也不盡相同，其與污染物也具的結(jié)合能力，土壤中的 DOM 來(lái)源豐富，主要來(lái)源于動(dòng)物和微生物的代謝活動(dòng)、植物、土壤有機(jī)質(zhì)等。常見的 DOM 主要組成成分見表 1-2[104,105]。由于 DOM 的結(jié)構(gòu)復(fù)雜一系列結(jié)構(gòu)不同、分子量不同、大小不同的組分，因而傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法難以完整有研究顯示有 25%左右的 DOM 能夠較容易的進(jìn)行表征，然而大多數(shù)的 DOM 難以表有幾種方法被用來(lái)研究有機(jī)污染物和 DOM 之間的相互作用如核磁共振、傅里葉紅外紫外可見光光譜等被用于表征的變化，Magner[107]等人和 Yamamoto[108]等人分別通過(guò)離和透析來(lái)表征內(nèi)分泌干擾物、殺蟲劑、殺菌劑和除草劑與 DOM 的結(jié)合。然而這些

DBP 數(shù)量急劇增加。DBP 不會(huì)與聚合物形成堅(jiān)固的化學(xué)鍵，并且隨著時(shí)間的推移可以容易地從塑料制品遷移到土壤中并隨食物鏈進(jìn)入人體，不僅危害黑土質(zhì)量健康、限制種植系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且對(duì)人類健康構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。目前，雖然已有多種手段用于修復(fù)土壤中的 DBP 污染降低其環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)，但關(guān)于 DBP在土壤尤其是根際界面中的遷移、歸趨等方面的報(bào)道較少，根際各組分對(duì) DBP 環(huán)境行為的影響、與 DBP 的相互作用情況及互作機(jī)理尚不清楚，土壤微生物群落對(duì) DBP 的響應(yīng)，特別是對(duì)與高等植物有關(guān)的微生物活動(dòng)的了解也十分有限。因此本文以優(yōu)先控制污染物 PAEs 中的 DBP 為研究對(duì)象，以小白菜（Brassica chinensisL.）為供試植物，聚焦 DBP 在植物根際界面中的環(huán)境歸趨，揭示了 DBP 在植物根際的吸附行為及根系分泌物與 DBP 的互作機(jī)制。通過(guò)構(gòu)建多層根箱的研究方式，重點(diǎn)探討了 DBP 在根際梯度界面的時(shí)空變異情況并揭示了可能的生物化學(xué)機(jī)制。通過(guò)現(xiàn)代分子高通量測(cè)序技術(shù)，深入解析了根際微生物對(duì) DBP 響應(yīng)情況，在分子生物學(xué)水平上揭示了 DBP 與微生物的互作機(jī)理。本文全面而深刻地認(rèn)識(shí)了 DBP 在植物根際吸附行為和消減規(guī)律并揭示可能的生物化學(xué)及微生物學(xué)機(jī)制，為 DBP 在根際界面的環(huán)境歸趨提供理論支持。1.4.3 技術(shù)路線

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本文編號(hào)：2799691