多環(huán)芳烴在根際界面的環(huán)境行為及微生物響應.pdf

1、植物修復技術是目前最有前景的土壤有機污染修復技術,為土壤學、植物學、環(huán)境科學及環(huán)境微生物學的重要研究前沿之一。研究有機污染物在植物根際的環(huán)境行為和微生物學機制,將為發(fā)展土壤有機污染的植物根際高效修復技術提供理論依據(jù)。本論文以持久性有機污染物多環(huán)芳烴為研究目標,重點聚焦多環(huán)芳烴在根際修復過程中的環(huán)境行為,圍繞多環(huán)芳烴在根際微域的分配規(guī)律、消減動態(tài)、空間變異及其微生物響應,綜合應用整合分析、定量構效關系模型、共溶劑模型、有機溶劑分級提取、等

2、價毒性濃度、DGGE和qPCR等技術,開展了多環(huán)芳烴在植物根際的環(huán)境行為及微生物響應的研究,取得以下主要成果:
　　 (1)利用整合分析對所有2008年之前發(fā)表的關于植物根際對多環(huán)芳烴消減影響的研究結果進行定量研究,明確了植物根際效應對多環(huán)芳烴消減的整體影響。結果表明植物根際效應對多環(huán)芳烴的消減有顯著的促進作用,這與植物根際中多環(huán)芳烴降解菌的數(shù)量顯著高于非根際土壤的結果一致,但多環(huán)芳烴對植物生長具有顯著的抑制效應。進一步利用整合

3、分析得到的16種多環(huán)芳烴的累積效應值和分子結構參數(shù)構建了定量構效關系模型,可以有效預測植物對多環(huán)芳烴消減的根際效應。整合分析結果和定量構效關系模型為通過植物根際修復多環(huán)芳烴污染提供了理論支撐,對發(fā)展多環(huán)芳烴植物根際修復技術具有重要的指導作用。
　　 (2)基于共溶劑模型準確獲取多環(huán)芳烴在根際空間主要組分上的吸附平衡分配系數(shù),解析了多環(huán)芳烴在根際界面的分配機制。對不同共溶劑模型的穩(wěn)健性和預測能力進行了評價,結果表明各種共溶劑模型中

4、貝葉斯模型的預測能力最為穩(wěn)健,是預測多環(huán)芳烴在生物吸附材料上的分配平衡系數(shù)最有效的共溶劑模型。植物根際中主要組分對多環(huán)芳烴的吸附能力為真菌＞植物＞土壤,但是土壤中植物根系和真菌菌絲生物量遠小于土壤,因此根際修復過程中通過植物根系和菌根吸附多環(huán)芳烴對修復的貢獻率小于1％。水稻根表鐵膜的形成抑制了植物根系對多環(huán)芳烴的吸附,抑制效應隨多環(huán)芳烴疏水性增強而增大,去除根表鐵膜后則根系吸附能力增強?；陔p溶劑模型解析多環(huán)芳烴在根際空間的分配規(guī)律,明

5、確了植物根際組分對吸附、固定多環(huán)芳烴的貢獻,是進一步研究多環(huán)芳烴根際修復機理的重要前提和基礎。
　　 (3)采用多層隔網根箱構建距離水稻根系1-5mm根際微域的空間梯度,分別采集第0、15、30、45天根際土壤樣品構建多環(huán)芳烴消減的時間梯度。通過有機溶劑分級提取方法表征不同有效性多環(huán)芳烴在根際的時空變異,發(fā)現(xiàn)用于表征土壤中生物有效性多環(huán)芳烴的丁醇提取組分的變化反映了多環(huán)芳烴在根際消減動態(tài),表明土壤中多環(huán)芳烴的生物有效性是影響多環(huán)

6、芳烴消減的最關鍵因素。在水稻根際泌氧、降解微生物活性、多環(huán)芳烴生物有效性、根際養(yǎng)分等因素共同作用下,不同污染濃度土壤中多環(huán)芳烴消減作用在水稻根際呈不同空間特征。隨著多環(huán)芳烴污染濃度的增大,根際土壤中多環(huán)芳烴消減率最大的位置距離根系,由于植物根際過程對高毒性多環(huán)芳烴消減的促進作用更加顯著,因此與水稻根際多環(huán)芳烴總濃度消減率相比,根際中多環(huán)芳烴等價毒性濃度消減率更高。采用等價毒性濃度評價植物對多環(huán)芳烴污染土壤的修復作用將污染修復直接與人類健

7、康風險聯(lián)系起來,對正確評價植物根際修復技術的功能具有重要意義。
　　 (4)借助DGGE和qPCR方法表征微生物群落結構和多環(huán)芳烴降解細菌對多環(huán)芳烴消減過程的響應。添加多環(huán)芳烴后,距離水稻根系表面約3-4mm位置的微生物生長受到促進,高于距離根系更近的根際空間。雖然近根系的根際空間中根際分泌物含量更高能夠為微生物提供碳源促進微生物生長,但水稻根系釋放的氧氣會抑制厭氧微生物活性,因此水稻根際效應對微生物的促進是根際空間氧和根際分泌

8、物影響共同作用的結果。多環(huán)芳烴降解細菌則在距離根系1-2mm的根際空間增多,且與多環(huán)芳烴在根際的消減規(guī)律一致。多環(huán)芳烴降解細菌為寡營養(yǎng)細菌,而雙加氧酶催化多環(huán)芳烴氧化為好氧氧化過程,多環(huán)芳烴降解細菌在水稻根際界面空間中氧氣含量高但養(yǎng)分虧缺的區(qū)域會受到促進,與其他微生物處于不同的生態(tài)位,因此多環(huán)芳烴降解細菌在根際能夠通過生態(tài)位錯位競爭策略避開與其他細菌的競爭。綜合植物根際的多環(huán)芳烴消減規(guī)律與微生物響應動態(tài),闡明了多環(huán)芳烴的植物根際修復過程