山東省兩個(gè)典型礦區(qū)微生物生態(tài)特性及其環(huán)境指示作用研究.pdf

1、采用野外調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合的研究方法,對(duì)山東省兩個(gè)典型金屬礦區(qū)內(nèi)土壤微生物生態(tài)特征及其作為環(huán)境生物指示指標(biāo)的可能性進(jìn)行了研究,并進(jìn)一步考慮了微生物生態(tài)研究中對(duì)空間因素的納入。研究結(jié)果對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù),微生物作為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下
　　 淄博鐵礦研究區(qū)重金屬污染程度屬于輕度水平,只在少數(shù)幾個(gè)樣品中檢出個(gè)別元素超標(biāo)。相對(duì)于微生物指標(biāo)(生物量碳、基礎(chǔ)呼吸、BIOLOG指數(shù)等)的樣品間差異,傳

2、統(tǒng)的污染指數(shù)方法靈敏度不夠,難于檢出相應(yīng)不同。這表明微生物反映土壤環(huán)境狀況較為靈敏,受除重金屬之外的其他因素或因子影響也較大。在pH值升高的前提下,微生物基礎(chǔ)呼吸速率表現(xiàn)出了隨重金屬含量增加而升高的特性。另外,高生理活性類群卻沒有對(duì)應(yīng)較高的生物量水平,這說明微生物面臨著在繁殖擴(kuò)增和保證穩(wěn)定之間的權(quán)衡,而這種平衡是隨實(shí)際環(huán)境而異的。利用微生物作為環(huán)境指示因子必須充分考慮到環(huán)境的各方面影響；在此前提下,使用適當(dāng)?shù)姆治龇椒?僅可以在一定程度上

3、分析特定環(huán)境因素對(duì)微生物的影響的大小。
　　 雖然將微生物指標(biāo)所提供的信息直接用于環(huán)境安全指示有一定困難,但用于對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境安全指標(biāo)的修正是一種很有意義的新手段,可提供有效的補(bǔ)充信息。微生物群落不僅受到重金屬污染影響,也會(huì)反映土壤理化性質(zhì)的差異,因此是一種很有潛力的環(huán)境安全指示指標(biāo)。大量的微生物指標(biāo)可以應(yīng)用主成分分析等數(shù)據(jù)壓縮方法進(jìn)行簡(jiǎn)化,而在進(jìn)一步確認(rèn)何種環(huán)境因素對(duì)微生物造成影響時(shí),可以應(yīng)用環(huán)境向量擬合方法,顯著性通過置換檢驗(yàn)驗(yàn)

4、證。
　　 將整個(gè)基于排序的微生物特性指標(biāo)刻畫出的樣品差異模式應(yīng)用于對(duì)污染因子權(quán)重的確定具有較大現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)檫@種通過生物刻畫所得到得環(huán)境因子權(quán)重在一定程度上反映了該因子影響生物指標(biāo)的能力,較為接近客觀對(duì)生物體的影響。本研究通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微生物特性修正的內(nèi)梅羅指數(shù)與原始內(nèi)梅羅指數(shù)有較大差異。不僅如此,通過微生物確定每種重金屬權(quán)重后可以直接計(jì)算一種新的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)--BIO指數(shù),我們發(fā)現(xiàn)不論基于重金屬全量還是有效態(tài),均與原始內(nèi)梅

5、羅指數(shù)有較大差異,這說明基于微生物的權(quán)重計(jì)算方式考慮到了更多的有價(jià)值信息。提供生物體所包含信息的指標(biāo)需要仔細(xì)研究進(jìn)行確定。本研究中采用生物量碳、基礎(chǔ)呼吸以及基于BIOLOG吸光度的幾個(gè)多樣性指標(biāo),這種結(jié)合涵蓋了生物群落大小,生理活性以及碳源利用能力多樣性等幾個(gè)方面,是一種對(duì)微生物群落比較綜合的刻畫。然而這種混合使用也有缺陷,因?yàn)楹芸赡苡芯€性關(guān)系的作用影響。另外,所選指標(biāo)難以代表微生物群落結(jié)構(gòu),只是對(duì)其整體表現(xiàn)從不同角度的刻畫,較為粗糙。

6、因此,表征群落結(jié)構(gòu)水平的分子方法可能會(huì)有更好的效果。
　　 招遠(yuǎn)金礦的研究表明,部分采樣點(diǎn)Pb、Cu和Cd的全量含量要高于二級(jí)國家環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn),而平均值則均處于安全水平之內(nèi)。按國家土壤環(huán)境技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn),50％樣品內(nèi)梅羅指數(shù)低于0.7,屬于潔凈水平,約14％低于1,屬于尚清潔,位于1-2的輕度污染樣品占33％,僅有一個(gè)樣品超過2(占3％),達(dá)到中度污染水平。在因子分析后,無論全量還是有效態(tài)重金屬,Cd、Zn和Pb都?xì)w入了一類中:

7、全量的Cr、Ni、Fe和Mn含量沒有相似性,但在有效態(tài)含量中,上述幾種重金屬大體聚成了一類。分布模式暗示了各類別重金屬的來源差異。聚于一類的重金屬有較大的可能是來源相同的,比如都由于污水的影響、或都出于粉塵的影響所導(dǎo)致,才形成較為類似的分布模式。
　　 在重金屬主成分與微生物指標(biāo)的相關(guān)分析中,發(fā)現(xiàn)這些主成分對(duì)微生物產(chǎn)生的影響并不一致。與以往部分礦區(qū)微生物研究中重金屬會(huì)對(duì)微生物具有抑制作用的研究結(jié)果不同,若干重金屬主成分與生物量碳

8、、基礎(chǔ)呼吸以及BIOLOG主成分顯示了正相關(guān)關(guān)系,這說明重金屬組分對(duì)微生物的生長(zhǎng)及活性產(chǎn)生了促進(jìn)作用。
　　 微生物指標(biāo)會(huì)受到多種因素的影響,很容易出現(xiàn)環(huán)境因子間交互作用的現(xiàn)象。同淄博鐵礦類似,在本研究中,pH對(duì)微生物群落展現(xiàn)出較強(qiáng)的影響。相關(guān)分析表明,在眾多微生物指標(biāo)中,生物量碳是較為敏感的一種指標(biāo)。BIOLOG方法敏感度較差,難于監(jiān)測(cè)輕微的環(huán)境變化。為了實(shí)現(xiàn)使用微生物群落指示環(huán)境因素的目的,更多的指標(biāo)及數(shù)據(jù)分析方法都是必須的

9、。由于pH值與多個(gè)微生物指標(biāo)出現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系,我們認(rèn)為本研究中它是對(duì)微生物影響對(duì)大的環(huán)境因素。不僅如此,pH值和可溶性重金屬的第三主成分也有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而第三主成分的最大載荷是來自Cu含量。這是由于低pH有助于Cu的溶解,因此pH較低的樣地Cu溶解性較好。另一方面,高pH有助于提高某些類別微生物活性,對(duì)微生物生長(zhǎng)較為有利,因此pH值和生物量碳以及可培養(yǎng)細(xì)菌均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。
　　 微生物各指標(biāo)在低水平污染下反應(yīng)環(huán)境變化的能

10、力有較大差異。結(jié)果表明,BIOLOG吸光度變化曲線并不隨重金屬含量變化而變化,而是較難分辨開。在進(jìn)一步的相關(guān)分析中,BIOLOG的第四和第五主成分與金屬主成分有顯著相關(guān)關(guān)系。BIOLOG第四主成分在D-xylose,Pyruvic acid methyl ester and Glycogen上有較大的載荷:第五主成分在β-Methyl-D-glucoside,N-acetyl-D-glucosamine andα-Cyclodextm上

11、有較大的載荷。這說明金屬對(duì)微生物碳源利用能力的影響是有較大差異的。不過,在把環(huán)境因素作為控制變量納入偏相關(guān)分析后,重金屬和碳源利用能力的關(guān)系發(fā)生了較大變化。這說明環(huán)境因素對(duì)微生物的影響非常復(fù)雜,聯(lián)系環(huán)境的解釋必須非常小心?？傊?BIOLOG方法在揭示環(huán)境的微小變化時(shí)比較遲鈍,較難發(fā)現(xiàn)小的差異。生物量碳與若干環(huán)境因素均有顯著相關(guān)關(guān)系,這說明生物量碳是一個(gè)比較敏感的微生物指標(biāo),可以較為迅速的反應(yīng)環(huán)境變化。當(dāng)然,單一的指標(biāo)是不安全的,必須聯(lián)系

12、盡量全面的指標(biāo)進(jìn)行綜合考察。
　　 在金礦區(qū)應(yīng)用微生物指標(biāo)對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境安全指標(biāo)進(jìn)行的修正時(shí),使用可培養(yǎng)細(xì)菌及真菌數(shù)目作為代替BIOLOG指數(shù)的生物參數(shù)。在對(duì)內(nèi)梅羅指數(shù)的修正中,我們發(fā)現(xiàn)了與淄博鐵礦不同的趨勢(shì)。在淄博鐵礦中的趨勢(shì)是從沒有差異的樣品間檢出差異,而在招遠(yuǎn)則表現(xiàn)出了減小相鄰樣品間差異的特性。我們認(rèn)為這是由于淄博取樣區(qū)地勢(shì)平緩,生物勻質(zhì)性較強(qiáng),強(qiáng)于理化性質(zhì)的空間異質(zhì)性,因此有彌合重金屬指數(shù)的表現(xiàn)。
　　 在通過微生物

13、生態(tài)特性獲得獨(dú)立的重金屬生態(tài)效應(yīng)影響權(quán)重,進(jìn)而獲得BIO環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的分析中,我們發(fā)現(xiàn)重金屬全量和有效態(tài)計(jì)算出的BIO指數(shù)差異極大。這一現(xiàn)象和淄博鐵礦中的結(jié)果是一致的。因?yàn)樵谟趩斡没瘜W(xué)分析方法測(cè)定的土壤重金屬有效態(tài),只能稱之為提取態(tài),而不應(yīng)該稱為有效態(tài),因?yàn)楦緵]法弄清楚對(duì)什么和在哪種層次有效:另外由于提取方法的差異,有效態(tài)和全量重金屬的差異自然也非常大。不過雖然如此,有效態(tài)還是一種比全量更貼近生物體的概念,也有其特定作用,不過在使用之

14、前應(yīng)該先厘清到底主要對(duì)什么有效,以其更加有針對(duì)性。
　　 總之,我們認(rèn)為基于微生物生態(tài)特性的指數(shù)計(jì)算方法更多的考慮到生物體特性的指標(biāo)更加能夠體現(xiàn)有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境安全的影響。因?yàn)樯w形成特定的格局即環(huán)境各因素綜合作用的結(jié)果,以這個(gè)結(jié)果為參考所確定的有害物質(zhì)的權(quán)重更能體現(xiàn)對(duì)生物界的直接作用,是一種非常有意義的指標(biāo)。
　　 上述對(duì)微生物群落信息的挖掘中僅應(yīng)用了排序及由回歸方法擴(kuò)展的環(huán)境向量擬合。而現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究中,空間因素的作

15、用是不可忽視的,微生物生態(tài)研究也是如此。這樣才能揭示客觀生態(tài)規(guī)律,進(jìn)而提供更為可靠的環(huán)境指示。第四章中我們論述了空間方法在微生物生態(tài)研究中的作用,從不同研究角度出發(fā),結(jié)合空間統(tǒng)計(jì)的作用,對(duì)空間統(tǒng)計(jì)方法在微生物生態(tài)研究中的應(yīng)用的必要性及現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要評(píng)述。介紹了空間自相關(guān)性的檢驗(yàn),方差圖,Mantel檢驗(yàn),Kriging插值等方法在微生物生態(tài)研究中的應(yīng)用,并論述了微生物研究中的尺度問題。空間分析為我們提供了描述現(xiàn)象的手段,所得到插值圖或經(jīng)驗(yàn)