生态环境2008,17(6):2271-2275Ecologyandhttp://www.jeesci.comE·mail:editor@jeesci.comEnviron啦!坐几种固定剂对镉污染土壤的原位化学固定修复效果李佳华1’2,林仁漳3,王世和1,郭红岩2,王晓蓉21.东南大学市政T程系,江苏南京210096;2.污染控制与资源化研究国家重点实验室/倩京大学环境学院,江苏南京2100933.泉州市环保局.福建泉州362000摘要:在野外现场条件下,开展了硅肥、钙镁磷肥、石灰和骨炭粉等多种材料对镉污染土壤的同定修复研究。结果表明,施用这几种固定剂后不同程度地抑制了玉米(ZeamaysL.)对cd的吸收,其中骨炭粉和石灰的效果最好,在O.5%的施用量下,这两种固定剂可使玉米可食部位cd含量降低到安全限量标准水平。而其它处理在本研究条件下未能使作物cd含量降低到安全范围。固定剂抑制植物吸收cd的效果从大到小顺序依次为:骨炭粉=石灰>硅肥=钙镁磷肥>高炉渣=钢渣。形态提取分析表明,施用固定剂处理使土壤Cd的水溶态、可交换态和碳酸盐结合态减少,而有机结合态和残渣态增加,说明促进Cd从有效态向缓效/迟效态转化是固定剂抑制植物吸收Cd的重要机制。关键词:固定剂;镉污染;原位化学固定;土壤修复中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:1672.2175(2008)06.2271-05土壤是人类生存与发展的重要自然资源和整个陆地生态系统赖以存在的基础,对于农业可持续发展和人类的生存都非常重要【l】。随着现代化进程的推进,我国土壤污染的问题日益严重,其中每年因重金属污染土壤引起的粮食减产达上千万吨,对耕地资源可持续利用和粮食生产安全提出了严峻的挑战【2卅。土壤重金属污染的修复研究已成为国内外环境科学领域的热点课题之一【5曲J。不同土壤重金属污染的类型因针对性差异治…理修复方法不同17。8J。原位化学固定就是通过往土壤中加入外源添加物固定剂,调节和改变重金属在土壤中的物理化学性质,使其产生沉淀、吸附、离子交换、腐殖化和氧化—还原等一系列反应,降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性,从而减少这些重金属元素对动植物的毒性【9‘101。这种修复方法因投入低,修复快速,对于农业生产活动中所造成的大面积中低度污染以及土壤酸化加剧引起的重金属活化问题的解决具有优越性,能更好地满足当前治理土壤中重金属污染以及保障农产品安全生产的迫切要求[1l-13]。以往在化学同定修复研究方面取得了不少进展[14-16】,但是野外固定修复的效果受当地自然环境条件影响较大,研究条件的差异导致不同研究结果之间缺乏可比性。基于此,需针对具体环境条件开展针对性的研究,在此基础上才能提出有效控制措施【13|。Cd是一种常见的重金属元素,在土壤中的活性较强,很容易被作物吸收而污染食物链,危及人类健康117-19]因此,Cd的土壤污染修复研究更有现实意义。本研究区域八卦洲土壤为江苏沿江典型农业土壤,主要特征是因土壤酸化诱导Cd的活化,提高Cd的生物可利用性,导致农产品Cd含量超标。本研究选用了6种碱性固定剂,通过野外现场调控试验,考察不同同定剂对玉米(ZeamaysL.)吸收Cd的抑制效果以及对土壤Cd形态变化的影响,并初步探讨了固定剂作用下Cd化学形态和生物可利用性的相关性,以期为解决江苏沿江土壤重金属污染和食品安全问题提供初步的科学依据和技术支持。2材料与方法2.1修复地点和试验时间修复试验点位于八卦洲镇新河路旁,经纬度:32010'22.8”,118。49’22.8”。土壤基本理化性质为:pH5.05+0.21,CEC:21.38cmol·kg,有机质:1.75%,容重:l51373kg·m~;全Cd:0.35mg‘kg~,全Cu:mg‘kg~,全Zn:270mg‘kg~,全Pb:40mg‘kg~。试验时间为2007年2月一2007年7月,种植作物为玉米(Zeamays2.2L.o固定剂来源及性质及成分固定剂有六种,其中石灰(轻质碳酸钙)、硅肥、钙镁磷肥、骨炭粉均为市售产品;钢渣、高炉渣取白南京市钢铁集团炼钢厂。固定剂性质参见文献ll3|,其中重金属含量均在《有机.无机复混肥料国家标准》(GBl8877.2002)、《农用污泥污染物控制标准》(GB4284—84)和《农用粉煤灰污染物控制标准》(GB8173—87)允许值内。2.3试验处理将一300m2的长方形地块,平整后用PVC隔基金项目:江苏省自然科学基金(BK2007523);江苏省国土牛态地球化学凋查项目(20031230008)作者简介:李佳华(1981年生),男,博上研究生,研究方向为污染环境修复。E·mail:huadavid2002@163.COITI收稿日期:2008—07—07万方数据 生态环境第17卷第6期(2008年11月)板隔为若干1mx2m的长方形小区,隔板埋深25分析采用欧盟推荐的连续提取法(BCR)[20]。2.4.3土壤pH的测定土水比l:2.5,酸度计测定。2.5数据分析数据描述性分析采用平均值土标准差(士s);两变量之间的联系程度用相关系数,表示;两两比较采用LSD方法(最小显著差数法)。数据分析使用SPSSl3.0软件软件包。cm。每3个相邻的小区为l组平行,不同处理之间间隔1m隔离带。对照记为CK,石灰、硅肥、钙镁磷肥、骨炭粉、钢渣和高炉渣分别记为A、B、C、D、E、F,下标标号1、2、3代表固定剂的添加水平分别为小区耕作层土壤重量的0.05%、0.1%和0.5%(质量分数)(耕作层厚度按20cm计算)。试验时先挖出土壤,风干(晒干)后,将大块土粒打细,均匀撒上固定剂,充分混匀后平整土地,即可进行耕作,试验期间按照当地习惯进行田问管理。2.4分析方法2.4.1样品处理收获时,每个小区取若干株植物及对应的根系土壤混合样,玉米植株分为根和果实部,植株样品先用自来水冲洗干净,其中根系样品还用20mmol·L。1的EDTA溶液交换15min,去除根表吸附的重金属,再用去离子水冲洗干净,用吸水纸吸干后称重,在65℃下烘干后用于重金属含量测定。土壤样品经自然风干后,磨细过80目筛备用。2.4_2重金属淝定植株样品粉碎后采用HN03.HCl04湿法消解,定容后用ICP—MS测定溶液Cd含量。土壤Cd形态m3结果与分析3.1施用固定剂对玉米吸收Gd的影响不同处理下玉米对Cd的吸收如图1和图2所示(虚线是指示食品安全限量值)。由图可知玉米的果实部分cd的含量(以鲜物质重计算)与根系部分相差不大,多组处理过的果实中Cd的含量都超过了食品安全标准。由图可以看出,施用固定剂后,Cd含量总体降低了,所有的处理组的Cd含置都比对照组的要低,根和果实Cd的含量趋势变化大体上是一致的。随着同定剂施用量的增加,玉米的根和茎叶Cd的含量在降低,施用量为0.5%时起到的抑制效果最好。6种固定剂对Cd的吸收的抑制效果不一样,其中以骨炭粉和石灰起到的抑制效果最好,在施用量为0.5%时均低于食品安全限量值;钙OJ5堇壹≥ci0∞5CKAlA2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3E1E2E3F1F3处理图1玉米根系Cd的含量Fig.1CdconcentrationinofZeamaysL.哥皇亘、≥处理图2玉米果实Cd的含■Fig.2CdconcentrationinfruitofZeamGy¥L.万方数据 李佳华等:几种固定剂对镉污染土壤的原位化学固定修复效果2273镁磷肥和硅肥效果其次,而钢碴和高炉碴的抑制效果相对较差。3.2施用固定剂对Cd形态分配的影响不同处理下的土壤各形态Cd的含量(以干质量计)如图3所示。其中Bl态包含了水溶态、交换态及碳酸盐结合态的金属,活性较高;B2主要是铁锰氧化物结合态,B3主要是有机物及硫化物结合态,B4态为残渣态。对照土壤B1态约占全量的32.03%,B2态占35.14%,B3态占25.46%,B4态约占7.37%,施用固定剂后,各形态含量和分布发生了变化。对于Bl态Cd,随着固定剂施用增加,其占全量的比例降低了,部分转化为其它形态。从图3可以看出,石灰、骨炭粉等处理影响较大,0.5%石灰和骨炭粉处理的Bl态Cd的含量仅为0.075和0.08lmg·kg~,Table1表1各形态含量与玉米cd含量的相关系数CorrelationbetweenCdB20.718。+1inZeamaysL.andCdspeciationB4.0.366相关系数B1B1B2B3B4lB3一0.906’’根0.44果实O.52l+0.542*-0.385—0.377—0.780‘·.0.704·‘0.426l0.2591.0.345.0.393l根果实0.818¨1注:n=19,+表示显著相关,”表示极显著相关食品安全线以下。其它几种固定剂处理,虽然也具有一定的控制效果,但在研究过程的条件下未能完全达到安全范围。本研究的同定剂所含重金属均在农用标准范围内,施用时不会引起二次污染。由于在达到修复目标时的施用量相对较少,因此一方面可以降低修复成本,另一方面调节土壤pH中性范围,不会因为pH过高而导致其它微量元素缺乏或产生其它不利影响,最大限度地减少了对土壤微生态环境的干扰,因些更易被接受。综合起来,各种固定剂抑制植物吸收Cd的效果从大到小的排序依次为:骨炭粉z石灰>硅肥≈钙镁磷肥>高炉渣≈钢渣。6种固定剂均为碱性物质,固定土壤重金属主要通过提高土壤的pH起作用。OH‘与C02生成C03厶,C032-与Cd计生成难溶的CdC03,而且,在pH升高条件下,cd2+可水解生成CdOH+,CdOH+在土壤吸附点位上亲和力明显高于Cd2+,这都使土壤中活性Cd的数量降低,这样生物可利用性的重金属就降低,从而使植物吸收降低【21.22】。骨炭粉是采用动物骨头加工获取的,前人的研究发现,骨炭粉比对照分别减少了35.0和30%。随着施用同定剂量的增加,B1态Cd的含量降低。对于B2态Cd,所有的同定剂处理的变化趋势和B1态类似,随着施用同定剂量的增加,B2态Cd减少。对于B3态和B4态Cd,其变化趋势刚好与Bl态和B2态cd相反,随着施用阎定剂量的增加,这两个形态的Cd占的比例增加(图3)。4讨论施用同定剂降低土壤重金属的移动性,抑制植物吸收,从而达到农产品安全生产目的是应当前严峻的土壤污染形势的重要措施。本研究选用了6种固定剂作为碱性崮定剂,总体上均不同的降低植物对Cd的吸收,但固定效果却有好有坏。通过实验结果可以看出骨炭粉和石灰的控制效果最好,在0.5%的施用量下基本上可以保持作物的Cd含量在嘶撕Ⅲ“耋}旺啪m慵嗽蜥∞ⅢM耋|呛哪吣缳Al^2A3MBl陀酗肼Cl晓c3处理c4DID2D3ElE2E3FIF2lr3圈3各种处理对应土壤四种形态cd含量(nag·kg"’)Fig.3F埘盯speciesofCdc删吣鼎哦枷∞insoilaftervarioustreatments万方数据 由于含有大量羟基磷灰石,成为治理铅污染土壤的重要固定剂,并已应用于现场修复【2孓25J。骨炭粉对Cd的固定效果也有人研究证实了。骨炭粉对重金属的同定效果一方面在于骨炭本身是一种碱性物质可以增加土壤pH,使得土壤重金属以碳酸盐的形态形成沉淀,另一方面骨炭粉的有机物含量比较高,可以增加土壤重金属有机结合态的数量【2l。石灰是重金属污染土壤化学固定的常用物质之一,石灰的抑制作用主要通过提高土壤的pH起作用,使重金属生成氧化物或以碳酸盐的形态,另外随着石灰添加量的增加,土壤表面可变负电荷增加而增加土壤对Cd离子的吸附,土壤对Cd的吸附强度增强12'l引。此外,共存离子的拮抗或协同作用、土壤溶液中配体对金属离子的络合作用等植物对重金属的吸收[26-27]。因此,施用石灰抑制植物吸收cd,原因除了使Cd的活性降低外,还可能存在Ca2+的解毒机制。CaC03的施用引入了大量的Ca2十,Ca2+可与Cd2+竞争根表吸附位点和离子通道,从而降低Cd的吸收拉出删]。硅肥能显著增加土壤有效硅的含量,与Cd结合成硅酸盐化合物从而增加残渣态Cd的相对含量;同时,硅可缓解Cd对植物生理代谢的毒害,提高根系活力和抗性,会抑制Cd向上的运输和转移[21,30-31]。施加钙镁磷肥抑制Cd的吸收,除了强碱性使土壤pH值升高,还与根表面Ca2+、M92+和cd2+的竞争吸收以及Ca2+、M92+与Cd2+共沉淀有关[21-221。至于高炉渣和钢渣,主要是通过提高土壤的pH和增加吸附起作用,抑制效果相对较差¨引。土壤中重金属生物可利用性与其形态关系密切,一般而占不同形态重金属的生物可利用性大小为:水溶态>可交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>有机物以及硫化物结合态>残渣态。通过调节重金属在土壤中的存在形态来控制或降低土壤重金属生物可利用性,可以降低重金属对植物和人体等生物受体的毒性,来实现修复重金属污染土壤的目的【2'32。34j。本研究中,B1态是生物可利用性最高的,而B4态是最难被植物吸收的。六种周定剂处理一方面通过提高土壤对Cd的吸附作用,减少植物吸收的直接来源,另一方面促进土壤同相相结合的cd从活性高的形态向缓效态或无效态转化。其中,pH是影响土壤Cd形态转化和生物可利用性重要因素,通常情况下,pH越低的土壤金属的活性越高。本研究中施用的同定剂处理均不同程度地提高了土壤pH值,使cd的生物可利用性降低。相关分析结果表明,土壤pH与玉米根部Cd含量之间存在着显著的负相关关系(产.0.483,P<0.05o对于重金属污染修复,化学固定修复有一定的持效性,随着时间的延长,在种植过程中土壤的pH有万 方数据生态环境第17卷第6期(2008年11月)的下降,土壤重新活化。这与植物的生长过程中根分泌物增加或者溶解性有机碳对Cd的溶出有关,也可能受耕作方式和施肥结构的影响【l引。关于这几种化学固定剂修复的长期持效性,还将进一步深入地研究。5结论(1)本实验筛选的同定剂均为碱性物质,综合起来,各种同定剂抑制植物吸收Cd的效果从大到小的排序依次为:骨炭粉≈石灰>硅肥≈钙镁磷HE>高炉渣≈钢渣。在修复区的土壤环境条件下,为了达到农产品安全的目的,符合国家食品安全标准,骨炭粉和石灰等的施用量必须大于0.5%,其它固定剂理应该施用更高的量。(2)施用几种同定剂对Cd的同定作用主要通过提高土壤pH和增加土壤颗粒对cd的吸附同定作用来实现。土壤中水溶态、交换态和碳酸盐结合态以及铁锰氧化物结合态的Cd的含量均有所降低,其余各种形态的比例增加,即土壤中有效态Cd的含量降低,促进土壤从生物可利用性高的形态向迟效态转化。参考文献:【l】李志博,骆永明,宋静,等.土壤环境质量指导值与标准研究II:污染土壤的健康风险评估【J】.土壤学报,2006,43:142.151.LiZhibo,LuoYongming,SongJing,eta1.StudysoilenvironmentalqualityguidelinesandstandardsII.Healthriskassessmentofpollutedsoils[J].ActaPedologicaSinica,2006,43:142·151.[2】林爱军,张旭红,苏fi红,等.骨炭修复重金属污染土壤和降低基因毒性的研究【J】.环境科学,2007,28(2):232.237.LinAijun,ZhangXuhong,SuYohong,eta1.Chemicalfixationofmetalsinsoilusingbonecharandassessmentofthesoilgenotoxic-时【J】.EnvironmentalScience,2007,28(2):232—237.【3】朱永官,陈保冬,林爱军,等.珠江二角洲地区土壤-审=金属污染控制与修复研究的若干思考[J】.环境科学学报,2005,25(12):1575.1579.ZhuYongguan,ChenBaodong,LinAijun,eta1.HeavymetaltaminationinPearlRiverDelta.Statusandresearchpriorities『JI.AetaScientiaeCircumstantiae,2005,25(12):1575-1579.[4]张从.污染土壤生物修复技术【M】,北京:中围环境科学出版社,2000:11.42.ZhangCong.BioremediationTechnologiesofContaminatedSoils[M].Beiimg:EnvironmentalSciencesPressofChina.2000:ll_42.f51HAMONRE,MCLAUGHLINMJ,COZENSGMechenismsofattenuationofmetaJavailabilityininsir,,reinediationtreatmentfJl.EnvironmentalScienceandTechnology,2002,36:339l一3996.f61ROMANTSCHUKM,SARANDI,PETANENT'etaI.Mcansimprovethee胞ctofinsitubioremediationofcontaminatedsoil:alloverviewofnovelapproaches[J】.EnvironmentalPollution,2000,107:179.185.f71KHANFI,HUSAINT'HEJAZILR.Anoverviewandanalysisofsiteremediationtechnologies[J].JournalofEnvironmentalManagement,2004.7l:95.122.[81HOS、‘ATHMERC,SHERIDANPw'eta1.TheLasagnaTechn01.ogyforinsitusoilremediation:2.La唱efieldtest[J].EnvkonmentalScienceandTechnology'1999,33(7):1092—1099.[9】DIELSL,vANDERLELIEN,BASTIAENSLNewdevelopmentsintreatmentofheavymetalcontaminatedsoils[J].ReviewsinEnvi.ronmentalScienceandBiotechnology,2002.1:75—82.【10】LOcKKJANSSENCR.Effectofnewsoilmetalimmobilizingagentsmetaltoxicityterrestrialinvertebrates[J].EnviromnentalPoilu.tion.2003.121:123一127.李佳华等:几种同定剂对镉污染土壤的原位化学同定修复效果2275【1l】王晓蓉.郭红岩.林f■漳,等污染士壤修复中应关注的几个问题ofbonemeaIamendmentsimmobilisePb.ZnandCdinsoil:A【J].农业环境科学学报,2006,25:277.280.leachingcolumnstudy[J].EnvironmentalPollution,2006,144:WangXiaorong,GuoHongyan,LINRenzhang,eta1.Issuesinneedof816—825.considerationforremediationofcontaminatedsoils.Journalof【24】HODSONME,VALSAMl—JONESE,COTTER—HOWELLSJD,eta1.agro—environmentscience,2006,25:277—280.Efrectofbonemeal(calciumphosphatelamendmentsmetalrelease[12】陈怀满.土壤一植物系统中的重金属污染【M】.北京:科学出版社,疗omcontaminatedsoils—alcachingcolumnstudy[J].Environmental1996:71.102.Pollution.2001.1l2:233—243ChenHuaiman.HeavyMetalPollutioninSoil.plantSystem[M].Bei.【251HoDSONME,VALSAMI—JONESE.Bonemealadditionsreme·iing:SciencePress.1996:7l一102.diationtreatmentformetalcontaminatedsoillJ].EnvironmentalSci-【13】林f_:漳.Cd污染上壤化学【^1定修复及其生态毒理诊断研究[D】.南andTechnolow/,2000.34:350l一3507.京:南京大学大学.2006:50—96.【26]SUDC,WONGJwC.ChemicalspeciationandphytoavailabilityofLinRenzhang.ChemicalimmobilizationofCdcontaminatedsoilsandzn.Cu.NjandCdinsoilamendedwithflyash.stabilizedsewageeco—toxicologyassessment[D].LibraryofNanjingUniversity:Nanjingsludge【J1EnvironmentInternational,2003,29:895.900.University,2006:50.96.f271JOFINMK,VANLAERHOVENCJ,CHUAHH.Factorsaffecting[14]BASl。ANT,GRADwOHLR,SNETHENKL,eta1.Chemicalimmo—plantuptakeandphytoavailabilityofcadmiumaddedsoils【J].En—bilizationoflead,zincandcadmiuminsmeltercontaminatedsoilsvironmentalScienceand/echnology,1972.6:1005一1009.ingbiosolidsandrockphosphate[J].JournalofEnvironmentalQuality,【281ANDERSoNA,NILSSONKO.InfluenceoflimeandsoilpHCd2001.30:1222.1230.availabilityplants[J1.AmericanBiologyTeacher,1974,3:198-212.【15】CAOXinde,MALO,CHENMing,eta1.Phosphate.inducedmetal【29】周卫,汗洪,李春花,等.添加碳酸钙对土壤中镉形态转化与玉米叶immobilizationincontaminatedsite[J].EnvironmentalPollution,片镉组分的影响….土壤学报,2001,38:218-223.2003.122:19—28.ZhouWei,WangHong.LiChunhua,cta1.Effectofcalciumcarbonate[16】郭观林,周房星,李秀颖.重金属污染土壤原传化学固定修复研究additiontransformationofcadmiumspeciesinsoilandcadmium进展【J】.应用生态学报,2005,16(10):1990一1996.formsinleavesofmaizefJl.ActaPedologicaSinica,2001,38:218.223.GuoGuanlin,ZhouQixing,LiXiuying.Advancesinresearchin[30】周建华,王永锐.砗营养缓解水稻幼苗cd、cr毒害的生理研究【J].situchem02immobilizationofheavymetalsincontaminatedsoils[J].应用与环境生物学报,1999,5(”:1l一15.ChineseJournalofAppliedEcology,2005,16(10):1990—1996.ZhouJianhua,WangYongrui.Physiologicalstudiespoisoningel'-[17]ELLIOTTHA.Competitiveadsorptionofheavymetalbysoils[J].fectsofCdandCrrice(OryzasativaL.)seedlingsthroughinhibi—EnvironmentalQuality,1986。15f3):2j4—219.tionofSinutritionlJ].ChineseJournalofAppliedEnvironmentalBi—【l剐许嘉琳,杨居荣.陆地生态系统中的重金属[M】.北京:中国环境科ology,1999.5r11:11.15.学出版社,1995:157.231.【3l】秦淑琴,黄庆辉.硅对水稻吸收镉的影响【J】新疆环境保护,XuJialin,YangJurong.HeavyMetalinTerrestrialEcosystems[M1.1997.19(3):51—53.Beijing:EnvironmentalSciencesPressofChina.1995:157—231.QinShuqin,HuangQinghui.EffectsofSitheabsorpti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方数据几种固定剂对镉污染土壤的原位化学固定修复效果
作者:作者单位:
李佳华, 林仁漳, 王世和, 郭红岩, 王晓蓉, Li Jiahua, Lin Renzhang, WangShihe, Guo Hongyan, Wang Xiaotong
李佳华,Li Jiahua(东南大学市政工程系,江苏,南京,210096;污染控制与资源化研究国家重点实验室//南京大学环境学院,江苏,南京,210093), 林仁漳,Lin Renzhang(泉州市环保局,福建,泉州,362000), 王世和,Wang Shihe(东南大学市政工程系,江苏,南京,210096), 郭红岩,王晓蓉,Guo Hongyan,Wang Xiaotong(污染控制与资源化研究国家重点实验室//南京大学环境学院,江苏,南京,210093)生态环境
ECOLOGY AND ENVIRONMENT2008,17(6)0次
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1.学位论文 姜春晓 高效抗重金属菌株的选育及其在生物修复镉污染土壤中的应用 2009
生物强化技术作为生物修复重金属污染土壤的一种手段,是近年来环境科学领域的一个研究热点。本文利用诱变育种技术获取了对镉具有高耐受性和高富集性的诱变微生物;研究了添加一种工业废弃物—诺沃肥,对诱变微生物在含镉土壤中的生长以及固定土壤中镉的促进作用;在生物强化修复过程中,研究并优化了影响修复效果的各个因素;并通过盆栽试验最终确认了生物强化对镉污染的修复效果。最后初步研究了利用基因组改组技术构建高效抗镉融合菌,考察了同时利用2株融合菌进行生物强化修复镉污染土壤的效果。
主要研究结果包括:(I)紫外线诱变和亚硝酸诱变技术均可以被用来选育高抗镉微生物。以枯草芽孢杆菌Bacillus subtillis(镉对其最小抑制浓度MIC=0.25mmol/L)为出发菌株,经过紫外诱变5 min后,获取的高效抗镉诱变菌B38的MIC被提高到3 mmol/L,抗镉性能是出发菌的12倍;以热带假丝酵母菌Candidatropicalis(对镉的MIC=0.08 mmol/L)为出发菌株,紫外诱变5 min获得高抗Cd的诱变菌C14,对镉的MIC被提高到1.2 mmol/L,抗镉性能是出发菌的15倍。扫描电镜图谱、透视电镜图谱和傅立叶红外图谱分析表明,诱变菌株B38在吸附镉后,表面可以吸附大量的镉,并且细胞表面没有发现有严重的凹陷和质壁分离,说明B38具有高效的抗镉性能,另外,其细胞壁的组分中存在羟基、酰胺基、羰基等活性基团,这些基团参与了吸附固定镉的反应。(II)诱变菌株B38和C14对镉的吸附能力受到很多因素的影响。死体诱变菌株对镉的吸附能力略强于活体菌株;当溶液中镉的起始浓度为0.5 mmol/L时,活体B38诱变菌在吸附镉的最佳条件pH=7、菌龄=8 h、吸附时间-20 h和菌液初始浓度=1×107 cells/mL下,对镉的吸附量达到2 mmol/g左右;活体C14诱变菌在吸附镉的最佳条件pH=8、菌龄=14 h、吸附时间=24 h和菌液初始浓度=6×106 cells/mL下,对镉的吸附量为1 mmol/g左右。两个诱变菌株的吸附行为都可以用Langmuir和Freundlich吸附等温线描述,且更符合Freundlich吸附方程。(III)对诺沃肥固定镉的机理研究表明,其含有大量的羟基,羰基和羧基、丰富的有机质以及石灰,这些基团起到了主要的作用;在添加诺沃肥后,染毒土壤浸提液,有利于诱变菌株B38和土著微生物的繁殖生长,细菌总数和诱变菌B38数目分别被提高了7倍和17倍,同时说明了B38和土著微生物存在协同生长,并且能有效的降低土壤溶液中镉的浓度至1.78×10-4mmol/L。添加诺沃肥到土壤后可提高土壤的pH值、CEC含量以及有机质和DOC含量,在进一步接种B38后,pH值有所降低,表明生物强化对土壤pH值有一定的缓冲作用。(IV)添加诺沃肥可以有效降低土壤二乙烯三胺五乙酸(DTPA)可提取态镉的量(E-Cd),而生物强化(引入诱变微生物)可进一步促进镉的固定效果,pH=7时,E-Cd分别降低了33%和72%。环境条件对于不同处理土壤的E-Cd有不同的影响规律,最适合生物强化修复的环境条件为pH7、温度30℃和土壤含水率50%。添加诺沃肥修复和生物强化修复的土壤中过氧化氢和脲酶活性明显高于对照组,说明生物修复后,土壤酶活性已经恢复。表明这2种修复措施都能改善土壤结构和性能,提高土壤的肥力。(V)以诺沃肥和诱变菌B38制成的复合生物固定剂对镉污染(10 mg/kg)土壤进行生物强化修复后,镉对土壤上种植的胡萝卜的发芽率没有影响,60天后收获的胡萝卜可食部分干重与没有经过修复的含镉土壤(对照)相比,增加了15.6倍;并且地下部的镉含量降低至0.15 mg/kg;土壤中酸可提取态镉的含量降低了73%,氧化物结合态、有机结合态和残余态镉的含量有所增加,说明生物强化处理改变了土壤中镉的各个形态的分布比例;变性凝胶梯度电泳(DGGE)图谱结果显示,经过生物强化修复,土壤微生物群落的丰度最高。在镉污染土壤上种植叶菜类蔬菜后,菠菜和小白菜可食部分镉含量分别为3.42和1.01 mg/kg;经过生物强化修复后,菠菜和小白菜可食部分的镉含量分别降低至0.74 mg/kg和0.16mg/kg。综上,3种蔬菜可食部分的镉的含量均显著降低,其中小白菜和胡萝卜体内镉含量达到了国家无公害蔬菜质量限量标准,但是种植菠菜时,存在一定的生态风险性。(VI)基因组改组技术可以被用来构造高效抗镉微生物,通过3轮的基因组改组后,共获取了2株抗镉融合菌F178和F185,其MIC分别被提高至4mmol/L和4.2 mmol/L,表明2株融合菌对镉的抗性比6株出发菌有显著的提高;在生物强化修复镉污染土壤的试验中发现,分别接种这2株融合菌
在生物强化处理60 d后,可以显著降低萝卜体内的镉浓度至0.3和0.4 mg/kg,但是,如果同时利用F178和F185进行生物强化处理时,萝卜体内镉含量降至0.17 mg/kg。
本论文利用紫外线诱变和亚硝酸诱变技术选育出对镉具有高耐受性和高积累性的微生物,为筛选和培育修复重金属污染的微生物提供了方法借鉴;以诺沃肥作为无害工业废弃物的代表,提出了复合生物制剂配方,改善微生物生境,协同微生物对重金属的固定效果,实现了对镉污染土壤的修复,为利用生物强化技术修复重金属污染土壤提供了一个新的途径。首次利用基因组改组技术获得了对镉具有高耐受性和高积累性的工程菌,不必经过繁琐复杂的分子生物学方法就能构建高效修复重金属污染的工程菌,为今后如何快速有效地选育修复重金属污染的基因工程菌提供了新的思路。本文的研究结果可直接在修复重金属污染的农田中应用。
2.期刊论文 李佳华.林仁漳.王世和.孙媛媛.郭红岩.王晓蓉.LI Jia-hua.LIN Ren-zhang.WANG Shi-he.SUN Yuan-yuan.GUO Hong-yan.WANG Xiao-rong 改良剂对土壤-芦蒿系统中镉行为的影响 -环境化学2009,28(3)
开展了硅肥、钙镁磷肥、石灰和骨炭粉等对镉污染土壤的固定修复研究,结果表明,施用固定剂后不同程度地缓解了芦蒿吸收Cd,其中硅肥和钙镁磷肥的效果最好,在1%的施用量下,两种固定剂可使芦蒿可食部位的Cd含量降低到卫生限量标准水平以下,而其它处理在本研究条件下未能使芦蒿Cd含量降低到安全范围,固定剂抑制芦蒿吸收Cd的效果从大到小的顺序依次为:硅肥≈钙镁磷肥>石灰≈骨炭粉>高炉渣≈钢渣,形态提取分析表明,施用固定剂处理使土壤Cd的水溶态、可交换态和碳酸盐结合态减少,而有机结合态和残渣态增加,说明促进Cd从有效态向缓效/迟效态转化是固定剂抑制芦蒿吸收Cd的重要机制.
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下载时间:2011年3月4日