孔雀草—蚯蚓—丛枝菌根真菌联合修复Cu污染土壤的研究

发布时间：2018-11-04 10:53

【摘要】：我国矿产资源丰富,随着工业化、城市化与现代化的快速发展,大量的冶炼与矿床开采废料等重金属污染物进入土壤环境中,对我们的人身安全造成了极大的威胁,因此寻求高效的修复方法解决土壤重金属污染问题具有重要的意义。常规的植物修复技术操作简易且不易造成二次污染,但受限于生物量与土壤条件等因素,修复效率并不稳定。在本研究中,我们以耐铜作物孔雀草为修复植物,深入探讨了利用蚯蚓与丛枝菌根真菌辅助植物对Cu污染土壤进行联合修复的可行性,具体结果如下:为了研究Cu污染对土壤大型动物群落分布的影响,对江苏省南京市汤山镇伏牛山铜尾矿区周边的土壤进行调查,通过对采集的42个样点的土壤样品与土壤动物分析发现:该区域的土壤Cu污染情况严重且伴随轻度Zn污染;利用手捡法与过筛法共获得3门4纲9目共2062只土壤动物,其中优势类群为膜翅目、寡毛纲、直翅目,分别占土壤动物总个体数的16.78%、14.26%、13.82%,常见类群为等足目、鞘翅目、革翅目等6种,等翅目与唇足纲等4种类群较为少见。对0-5 cm、5-10 cm与10-20cm三个土层的土壤动物总量进行分析后可知,不同土层的土壤动物数量由高至低分别为0-5 cm 土层5-10 cm 土层10-20 cm 土层。该区域土壤动物的数量与多样性与土壤Cu污染浓度呈显著负相关性,尤其是鞘翅目、革翅目、寡毛纲与膜翅目四类动物在低浓度Cu污染土壤中的数量显著高于重度与中度Cu污染土壤,且分析发现寡毛纲和膜翅目动物对土壤铜毒害最为敏感。结合各采样点环境因子分析进一步确认土壤Cu污染是导致该区域土壤大型动物分布差异的最关键因素。采用水培方法,以未接种为对照处理,研究了预先接种丛枝菌根真菌(Glomus coronatum)的孔雀草(TagetespatulaL.)幼苗对Cu胁迫耐性的影响。不同浓度Cu处理下,孔雀草地下部分Cu含量均显著高于地上部。非接种植株在50 μMCu处理下已出现生物量降低,100 μMCu处理下已基本死亡,接种植株则直到Cu浓度超过100μM时才出现显著的Cu毒害现象。对Cu的时间动态积累分析可以看出,在长时间的Cu胁迫下,接种植株较非接种植株一方面降低了地下部对Cu的吸收与积累,另一方面显著减少了 Cu向地上部的转运量,7天后接种植株地上部与地下部Cu含量分别为非接种植株的72.18%与72.82%。对50 μM Cu处理下根尖伸长量、根尖数量、根系活力与植物光合作用等指标的分析可知,与非接种植株相比,AMF (Arbuscular mycorrhizalfungi)的接种显著降低宿主植株对过量Cu的吸收与转运量,有效缓解了Cu胁迫对植物根系活力、光合作用强度、矿质营养吸收的毒害作用。根尖横切面能谱分析结果表明AMF与植物在内皮层处形成的共生结构积累了大量的Cu,这表明AMF菌丝的屏障与吸附机制显著地降低了 Cu对孔雀草根部的毒害,提高了孔雀草的耐Cu性。通过土培试验,设置了多种添加蚯蚓的方式,研究了蚯蚓活动对丛枝菌根真菌在时间与空间上对植物侵染的影响。我们发现当土壤体系中蚯蚓与蚯蚓粪数量过多时会显著降低AMF的侵染率,蚯蚓的合适投放量为每千克土壤4-8条蚯蚓;孔雀草长至两叶一心期为最佳的蚯蚓投放时间,过早投放会显著抑制菌根侵染速率;蚯蚓内吞至肠道内的AMF孢子具有较高生物活性且具备侵染植物根系的能力。横向土柱实验结果说明,蚯蚓的活动能够显著扩大AMF的侵染范围:在投放蚯蚓后,距离AMF投放位点60cm以内的孔雀草根部均发现有50%以上的侵染率,未投放蚯蚓组中,最远在距离AMF投放位点30 cm处发现侵染率达到50%的孔雀草植株,即蚯蚓的添加将AMF的侵染范围扩大了 1倍。通过AMF对植物生物量与铜耐性的提高,投放蚯蚓处理组孔雀草的总生物量与Cu总提取量达到了 54.31 g与2462μg,分别为未投放蚯蚓组的1.39与1.46倍。以上结果表明,蚯蚓与AMF的联合处理可以显著提高孔雀草在Cu污染土壤中的修复效率。采用土培试验,综合考虑植物-动物-微生物三要素,研究了“孔雀草-蚯蚓-丛枝菌根真菌”联合修复对铜污染土壤的重金属元素含量、理化性质、酶活性与微生物群落等指标的影响。结果表明,单一施加丛枝菌根真菌可以显著提高植物生物量,改善土壤营养水平并增强植物的铜耐性。单独添加蚯蚓对土壤中Cu元素有显著的活化作用,且对土壤中过氧化氢酶与脲酶的酶活有一定的提高,但对植物生物量的影响不显著。同时添加丛枝菌根真菌与蚯蚓处理显著提高了孔雀草的修复效率,植物的生物量、铜积累量与土壤酶活性均显著提高,土壤的理化性质与营养水平也得到显著改善。另一方面,采用Miseq高通量测序技术分析土壤微生物群落结构。在相似度97 %水平以上,共获得15299个细菌OTU,1494个真菌OTU,所有样品的覆盖度均大于0.91。蚯蚓处理显著提高了土壤中微生物群落丰度与多样性,而丛枝菌根真菌处理降低了微生物群落中细菌的比例,但整体对土壤微生物群落的丰度与多样性指数影响较小。在“孔雀草-蚯蚓-AMF”联合修复体系的土壤中,微生物的丰富度指数Chao、ACE和多样性指数Shannon均极显著上调,在增强群落抗逆性与保持土壤环境健康等几方面表现出积极的作用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X17;X53

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本文编号：2309600