重金属污染土壤根际胁迫机理及植物/微生物联合生物修复技术研究

摘要

根际圈以植物根系为中心聚集了大量的生命物质及其分泌物，构成了极为独特的“生态修复单元”，深入了解重金属胁迫下的根际污染生态过程，根据根际胁迫机理研究开发出利用植物及其共存微生物体系进行联合修复的生物技术具有重要的意义。本文首先对微生物以及根分泌物根际作用机理进行了分析研究，在此基础上开展高效微生物选育以及进行植物/微生物协同净化研究，并开发了新型高效植物/微生物联合生物修复技术。本研究主要结果如下：
　　 重金属胁迫下根际理化特征及根分泌物特征分析表明玉米根际和非根际环境pH、Eh存在明显差异，土壤类型、重金属浓度和种类是影响这种差异的重要因素。在实验浓度范围内，pH差异随着Cd浓度的增加逐渐减弱。重金属胁迫使得根分泌物中糖类泌出量激增，有机酸组分增加。5mg/kg污染水平下，Cd、Cu处理组糖类含量的增幅分别为对照组的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，以反硝化细菌对Cd的耐受性最强，而氨化、硝化细菌对Cd较为敏感。Cd处理对氨化和硝化作用影响表现为低浓度刺激、高浓度抑制。玉米根际氨化、硝化和反硝化作用强度均明显高于非根际土。氨化和硝化作用的“根际效应”随着重金属浓度的增加表现为低浓度促进、高浓度下降。Cd、Cu、Cr相比，Cd的生物毒性最强，Cr胁迫下玉米“根际效应”最强。
　　 微生物和根分泌物对土壤Cu、Cd、Cr形态影响分析表明，根分泌物对重金属活性的影响主要表现在两个方面：一方面可增加有机质含量，使有机结合态含量增加，对于Cu和Cr就表现出了这种趋势；另一方面有机酸等成分可促进重金属的溶出，使可交换态增加，对于Cd和Cu就表现出了这种趋势。土壤微生物对重金属活性的影响主要表现为：微生物作为具有巨大比表面积的活性有机胶团，可以增加有机质对重金属的结合，增强对重金属的固定作用；同时它具有较高的生物活性，根分泌物等营养物质的加入，可刺激其生物代谢，强化有机质分解，促进土壤中有机结合态重金属的释放。
　　 对重金属Cd胁迫下大豆全生育期微生物氮循环机制的研究表明，随着作用时间的延长，Cd对非根际土壤氨化作用表现为：短期内出现抑制作用，随后出现刺激作用，最后表现为较好的适应性；Cd的加入明显抑制了非根际硝化作用强度，随着时间的延长，抑制作用逐渐减弱；非根际反硝化作用随时间的延长活性逐渐降低，Cd对反硝化作用的作用机制比较复杂，在植株的生长后期，高浓度处理组非根际反硝化作用强度反而高于对照组，这可能与微生物的区系的变化有关。大豆不同生育期根际氮循环微生物活性的研究表明，对照组氨化作用的“根际效应”以初花期为最强，在成熟期最低，Cd处理后根际变化较为复杂，但总体来说，与非根际微生物活性的变化趋势基本一致，但变化趋势较为平缓，表明根际环境对Cd胁迫效应存在一定的“缓冲作用”。Cd对大豆结瘤和根瘤固氮能力具有明显的影响，并抑制植物对氮营养的吸收，Cd对根瘤固氮活性呈低浓度刺激、高浓度抑制规律，根瘤的显微及亚显微结构分析表明高浓度Cd污染使得根瘤中的有效固氮区域减少，且菌体侵染细胞数量下降，菌体内活性物质多聚-β-羟基丁酸含量下降，衰败菌体数增加，根瘤固氮活性下降。Cd的加入显著抑制植株对氮营养的吸收，10mg/kg和20mg/kg处理组大豆植株的全氮含量的下降幅度高达43.9％和48.3％。
　　 以硫杆菌活性污泥培养物为菌源，分离纯化得到T.thioxidans菌株，为革兰氏阴性杆菌。该氧化硫硫杆菌接种于Cu污染土壤后，可显著增强土壤中Cu的活性，20、50、200和500mg/kg污染水平下，可交换态Cu含量分别可提高12.7、30.8、64.5和32.6倍。T.thioxidans对Cu具有良好的耐受性，土体中Cu浓度的增加对其活化能力并无显著影响，T.thioxidans对潮土中Cu的活化能力显著高于青紫泥中Cu；不同重金属相比，T.thioxidans对重金属的相对活化能力为Cu>Pb>Zn；外源铜形式添加的青紫泥污染土和浙江富阳环山乡青紫泥污染土比较，T.thioxidans对于外源铜的活化能力高于对青紫泥污染土Cu的活化，其可交换态占土壤Cu总量的比例分别为21.07％和14.79％。
　　 高效氧化硫硫杆菌株T.thioxidans引入土壤生物修复技术中，成功构筑了高效“植物-微生物-菌根”复合生物修复载体。研究结果表明氧化硫硫杆菌(T.thioxidans)可与VAM真菌(G.Caledonium)产生协同作用，使玉米对Cu的积累能力提高了3-5倍，其对Cu的吸收能力甚至高于铜富集植物海州香薷。这显示普通作物玉米可能具有比金属富集植物更高的植物修复能力。将重金属超积累/耐性植物-Cu耐性富集植物海州香薷与高效氧化硫硫杆菌株T。thioxidans相结合，成功地构筑了“超积累/耐性植物-微生物”复合生物修复载体，充分利用海州香薷具有较好的耐性和富集性能以及氧化硫硫杆菌T。thioxidans对土壤重金属显著的活化效能，极大地提高了海州香薷对Cu的生物提取能力，使生物修复效率比耐性富集植物普通生长状态下提高了4-5倍。土壤淋洗实验表明，接种T.thioxidans处理组土壤Cu的迁移较为活跃，青紫泥污染土在经60天的淋洗后，淋洗液中Cu浓度约为对照组的2倍，但淋洗液中Cu、Pb和Zn的浓度均远低于地下水质量标准的三类水体限值，不会对地下水的水质造成威胁。