多環(huán)芳烴在根際界面的環(huán)境行為及微生物響應(yīng).pdf

1、植物修復(fù)技術(shù)是目前最有前景的土壤有機(jī)污染修復(fù)技術(shù),為土壤學(xué)、植物學(xué)、環(huán)境科學(xué)及環(huán)境微生物學(xué)的重要研究前沿之一。研究有機(jī)污染物在植物根際的環(huán)境行為和微生物學(xué)機(jī)制,將為發(fā)展土壤有機(jī)污染的植物根際高效修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)。本論文以持久性有機(jī)污染物多環(huán)芳烴為研究目標(biāo),重點(diǎn)聚焦多環(huán)芳烴在根際修復(fù)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(dòng)態(tài)、空間變異及其微生物響應(yīng),綜合應(yīng)用整合分析、定量構(gòu)效關(guān)系模型、共溶劑模型、有機(jī)溶劑分級提取、等

2、價(jià)毒性濃度、DGGE和qPCR等技術(shù),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(yīng)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(guān)于植物根際對多環(huán)芳烴消減影響的研究結(jié)果進(jìn)行定量研究,明確了植物根際效應(yīng)對多環(huán)芳烴消減的整體影響。結(jié)果表明植物根際效應(yīng)對多環(huán)芳烴的消減有顯著的促進(jìn)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(jié)果一致,但多環(huán)芳烴對植物生長具有顯著的抑制效應(yīng)。進(jìn)一步利用整合

3、分析得到的16種多環(huán)芳烴的累積效應(yīng)值和分子結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建了定量構(gòu)效關(guān)系模型,可以有效預(yù)測植物對多環(huán)芳烴消減的根際效應(yīng)。整合分析結(jié)果和定量構(gòu)效關(guān)系模型為通過植物根際修復(fù)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(fù)技術(shù)具有重要的指導(dǎo)作用。
　　 (2)基于共溶劑模型準(zhǔn)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(jī)制。對不同共溶劑模型的穩(wěn)健性和預(yù)測能力進(jìn)行了評價(jià),結(jié)果表明各種共溶劑模型中

4、貝葉斯模型的預(yù)測能力最為穩(wěn)健,是預(yù)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(yuǎn)小于土壤,因此根際修復(fù)過程中通過植物根系和菌根吸附多環(huán)芳烴對修復(fù)的貢獻(xiàn)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(yīng)隨多環(huán)芳烴疏水性增強(qiáng)而增大,去除根表鐵膜后則根系吸附能力增強(qiáng)。基于雙溶劑模型解析多環(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(xiàn),是進(jìn)一步研究多環(huán)芳烴根際修復(fù)機(jī)理的重要前提和基礎(chǔ)。
　　 (3)采用多層隔網(wǎng)根箱構(gòu)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(gòu)建多環(huán)芳烴消減的時(shí)間梯度。通過有機(jī)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(shí)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(dòng)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(guān)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(jìn)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(jià)毒性濃度消減率更高。采用等價(jià)毒性濃度評價(jià)植物對多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)作用將污染修復(fù)直接與人類健

7、康風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系起來,對正確評價(jià)植物根際修復(fù)技術(shù)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(jié)構(gòu)和多環(huán)芳烴降解細(xì)菌對多環(huán)芳烴消減過程的響應(yīng)。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(jìn),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?yàn)槲⑸锾峁┨荚创龠M(jìn)微生物生長,但水稻根系釋放的氧氣會(huì)抑制厭氧微生物活性,因此水稻根際效應(yīng)對微生物的促進(jìn)是根際空間氧和根際分泌

8、物影響共同作用的結(jié)果。多環(huán)芳烴降解細(xì)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(xì)菌為寡營養(yǎng)細(xì)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(xì)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(huì)受到促進(jìn),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(xì)菌在根際能夠通過生態(tài)位錯(cuò)位競爭策略避開與其他細(xì)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(yīng)動(dòng)態(tài),闡明了多環(huán)芳烴的植物根際修復(fù)過程