酞酸酯DBP在小白菜根际界面的环境行为及微生物响应的机制

发布时间：2020-08-21 18:06

【摘要】：邻苯二甲酸二丁酯(DBP)是一类广泛用为工业增塑剂的化合物,具有内分泌干扰效应。由于其在化合物之间采用物理连接,极易迁移到土壤中对生态安全构成重大风险。DBP不易降解,土壤中残留的DBP可以被作物吸收并通过食物链传递到人体内,严重危害人类健康。因此,探索DBP在植物根际多介质界面中的迁移、归趋等关键科学问题,对于植物-污染物互作的研究具有重要的意义。针对上述现实问题,本试验以DBP为目标污染物,小白菜为供试植物,考察DBP在小白菜根际界面的吸附行为,通过构建多层根箱模型深入研究了DBP在根际界面的时空变异特征,阐明根系分泌物与DBP的互作机制,在分子水平上揭示小白菜根际微生物对DBP污染的响应。本研究主要取得以下结果:通过盆栽试验考察了小白菜对20 mg·kg~(-1)浓度DBP的耐受能力。小白菜对浓度为20mg·kg~(-1)DBP有一定的耐受能力,小白菜株高和根长在试验的前28天略有抑制,随后抑制现象逐渐减弱。对小白菜根系的微观形态进行观察,结果显示DBP胁迫使根系部分表皮细胞脱落,减少细根部分根毛数量。观察不同处理土壤微观形态,结果表明DBP和根系分泌物增加了土壤团聚体数量。通过根袋试验,探讨了DBP在小白菜根际土壤的吸附行为,土壤对50 mg·L~-11 DBP的吸附在12 h内达到平衡,根际土对DBP的吸附量高于非根际土,其最大吸附量分别为243.46mg kg~(-1)和281.95 mg kg~(-1)。吸附动力学过程符合拟二级模型,吸附热力学过程符合Freundlich模型,表明吸附过程为多层非均相的化学吸附。小白菜的种植可改变黑土对DBP的吸附能力,根际黑土对DBP的吸附力远大于非根际黑土,含有根系分泌物的根际土K_F为6.6264,是非根际土壤的2倍。通过荧光结合试验,揭示了小白菜根系分泌物促进土壤对DBP吸附的原因。利用GC-MS分析根系分泌物的主要成分,探讨DBP对土壤养分和土壤结构的影响。结果表明,根系分泌物中含有碳氢化合物,硫化合物和酸。根系分泌物中的大分子多糖可以增加土壤团聚体数量,进而增加速效磷、有机质及溶解的有机物(DOM)的含量并促进DBP在土壤上的吸附。通过三维激发发射矩阵(3D-EEM),同步荧光和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析根分泌物与DBP,DOM和DBP之间的相互作用。荧光光谱显示,根系分泌物的主要成分为类蛋白质物质,DOM的主要成分为类蛋白质和类腐殖质物质。根系分泌物、DOM和DBP发生络合反应,荧光淬灭机制为静态淬灭。根分泌物中的-COO和DOM中的-CH_2官能团在与DBP的结合过程中起到主要作用。通过构建多层根箱模型,揭示了DBP在小白菜根际微域内的时空动态变化规律。DBP在根际微域内的消减率整体呈现根室近根际区非根际的趋势,距离根系3 mm处DBP消减率最高,第45天的消减率可达到91%。通过3D-EEM、同步荧光光谱、二维相关光谱(2D-COS)以及2D-FTIR-COS揭示了DOM与DBP在根际微域内结合的生物化学机制。结果显示DBP中的烷基酯首先发生响应并且结合强度最高,其次是DOM类腐殖质物质中的芳香族,羟基,羧酸和酚基,最后为DOM类蛋白质物质中的酰胺官能团。通过高通量测序考察了小白菜根际微生物对DBP的响应(取样时间为7,14,21,28,45天)。DBP胁迫下增加了土壤中鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)和鞘氨醇菌属(Pseudarthrobacter)的数量,但根际微生物的α多样性指数chao1、shannon、PD whole tree和observed species均有所降低,表明DBP扰乱了黑土微生物的代谢活动和功能多样性。根系分泌物的存在增加了土壤微生物丰度并改变了土壤微生物群落结构,缓解了DBP对根际微生物的胁迫,提高了土壤微生物α多样性增加了根际土壤中放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)细菌的数量。距离根系较远的非根际土壤在第14天之后的α多样性指数高于DBP处理(即含DBP而无小白菜种植的处理),但仍低于根际土壤,表明根际分泌物可以随着时间的推移从根际土逐渐扩散进而促进附近土壤中微生物的增长。根系分泌物的存在,也可以聚集诸如Alsobacter,Lacibacter,Myceligenerans,Schrenkiella parvula和Undibacterium等独特的菌属降解DBP。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X173
【图文】：

DBP的结构

路径图,微生物代谢,路径

图 1-2 微生物代谢 DBP 的常见路径Fig.1-2 Common Pathways of DBP Metabolism by Microorganisms 根际土壤中 DOM 与污染物的互作.1 土壤 DOM 概述土壤 DOM 是指可以溶于水并且可以通过 0.45 μm 滤膜的有机质，代表了土壤有机质动性和生物可利用部分[100,101]，其组成成分复杂，具有高反应性官能团及活跃的结合2]，众多研究表明 DOM 影响生物地球化学过程，颗粒稳定性和运输，金属络合以及有物的环境行为[103]。不同来源的 DOM 其主要成分和结构也不尽相同，其与污染物也具的结合能力，土壤中的 DOM 来源丰富，主要来源于动物和微生物的代谢活动、植物、土壤有机质等。常见的 DOM 主要组成成分见表 1-2[104,105]。由于 DOM 的结构复杂一系列结构不同、分子量不同、大小不同的组分，因而传统的化学分析方法难以完整有研究显示有 25%左右的 DOM 能够较容易的进行表征，然而大多数的 DOM 难以表有几种方法被用来研究有机污染物和 DOM 之间的相互作用如核磁共振、傅里叶红外紫外可见光光谱等被用于表征的变化，Magner[107]等人和 Yamamoto[108]等人分别通过离和透析来表征内分泌干扰物、杀虫剂、杀菌剂和除草剂与 DOM 的结合。然而这些

技术路线图,技术路线

DBP 数量急剧增加。DBP 不会与聚合物形成坚固的化学键，并且随着时间的推移可以容易地从塑料制品迁移到土壤中并随食物链进入人体，不仅危害黑土质量健康、限制种植系统的农业生产力，而且对人类健康构成重大风险。目前，虽然已有多种手段用于修复土壤中的 DBP 污染降低其环境健康风险，但关于 DBP在土壤尤其是根际界面中的迁移、归趋等方面的报道较少，根际各组分对 DBP 环境行为的影响、与 DBP 的相互作用情况及互作机理尚不清楚，土壤微生物群落对 DBP 的响应，特别是对与高等植物有关的微生物活动的了解也十分有限。因此本文以优先控制污染物 PAEs 中的 DBP 为研究对象，以小白菜（Brassica chinensisL.）为供试植物，聚焦 DBP 在植物根际界面中的环境归趋，揭示了 DBP 在植物根际的吸附行为及根系分泌物与 DBP 的互作机制。通过构建多层根箱的研究方式，重点探讨了 DBP 在根际梯度界面的时空变异情况并揭示了可能的生物化学机制。通过现代分子高通量测序技术，深入解析了根际微生物对 DBP 响应情况，在分子生物学水平上揭示了 DBP 与微生物的互作机理。本文全面而深刻地认识了 DBP 在植物根际吸附行为和消减规律并揭示可能的生物化学及微生物学机制，为 DBP 在根际界面的环境归趋提供理论支持。1.4.3 技术路线

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