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植物在修复多环芳烃(PAHs)等有机物污染的土壤中有较大的应用潜力。植物修复污染土壤的纵深研究产生了根际修复新技术。根际环境与根际微生物是植物降解、转化有毒有害有机污染物的基础。本论文在评价红树植物秋茄(Kandelia obovata)修复菲(PHE)污染沉积物的潜能基础上,探讨了根际和非根际沉积物微生物和酶活性对不同浓度(5、10、20、40mg·kg-1)菲的响应。同时采用多隔层三室根箱法将根际划分为根室、2 mm、4mm、6 mm三个近根际、以及>6mm远根际,研究菲在各毫米级根际微域的消减动态行为,各毫米级微域微生物数量和群落结构(采用DGGE技术)、酶活性和理化性质对菲的空间响应动态。研究有机污染物在土壤中的环境行为,弄清土壤性质与有机污染物消减的相互关系,将解决有机污染土壤根际修复的根本问题,为拟定高效的土壤有机污染修复技术提供基础依据。本文的主要研究结果如下:
种植秋茄能够明显促进菲的降解,但是修复效率随着菲初始浓度的增加而降低。不同菲浓度处理的沉积物中菲的去除率随着菲初始浓度的增加而降低。根际沉积物中菲的去除率高于非根际沉积物,4种菲处理浓度在秋茄根际沉积物中的去除率分别为83±3%、78±3%、76±1%、70±1%,而非根际沉积物中菲的去除率仅为65±3%、64±2%、60±2%、59±3%。
种植秋茄可以促进沉积物中细菌和菲降解菌的生长。不同菲浓度处理下,根际沉积物细菌数量均高于非根际沉积物,究其原因可能是植物根系分泌物可以作为碳源为微生物利用,从而刺激了其生长。低浓度菲能促进细菌的生长,而中高浓度菲则会抑制细菌的生长。无论种植与否,菲污染均能显著提高沉积物中菲降解菌的数量。但是随着菲初始浓度的增加,菲降解菌数量逐渐减少。不同菲浓度处理下,根际沉积物中菲降解菌数量均高于非根际沉积物,说明种植秋茄能够增加菲降解菌数量,并且菲降解菌数量越多,沉积物中菲的去除率也越高。
不同菲浓度处理下,根际沉积物中多酚氧化酶、过氧化物酶、脱氢酶、脲酶以及磷酸酶活性均高于非根际沉积物,表明种植秋茄可以刺激酶活性的增加。根据相关性分析可知,沉积物中菲的残留浓度与多酚氧化酶、过氧化物酶、脱氢酶以及脲酶呈显著负相关,说明沉积物中的酶在菲的降解过程中起了一定的作用。
采用多隔层三室根箱法,通过尼龙网插片的控制,对根际沉积物进行了根室、2mm、4mm、6mm三个近根际、以及远根际(>6mm)的毫米级微域划分,研究了植物对菲的消减行为在毫米级根际微域内伴随根系分泌物梯度递减效应的微空间响应规律。发现菲的根际消减行为存在距离根系不同远近的差异,消减程度呈现2mm>根室>4mm>6mm>远根际的趋势,表现出根际效应的污染物消减特异性。根系分泌物和菲对微生物的生物可利用性之间的差异可能是诱导菲在根际微域产生差异的根本原因。
种植秋茄的根箱中,根际各微域细菌数量的空间动态变化趋势为:2 mm>根室>4mm>6mm>远根际(>6mm),并且根室、近根际和远根际的细菌数量差异显著(P<0.05)。菲降解菌也呈现类似的变化趋势,此变化趋势与菲的消减相呼应,预示着细菌和菲降解菌在菲的消减过程中起着不可忽视的作用。
DGGE图谱显示,种植秋茄的根际各微域与未种植秋茄的处理之间存在差异,表明种植秋茄会改变沉积物的细菌群落结构。种植秋茄处理的根际各微域的细菌群落多样性指数(H)均高于未种植的处理组。种植秋茄的根箱中,4 mm与6 mm土层的细菌群落结构最相似。根室与远根际的相似性指数最低。将DGGE图谱中优势条带测序得出,种植秋茄处理的根际各微域含有大量变形菌门的细菌,此类细菌具有分解PAHs的能力;而未种植秋茄的处理中,仅有一种优势细菌属于变形菌门。由此可见,微生物群落结构的改变在诱导菲消减行为产生微空间的分化方面起着决定性的作用。
多酚氧化酶、过氧化物酶、脱氢酶、脲酶以及磷酸酶在根际各微域呈现空间的差异,酶活性最大值一般出现在2 mm或根室,与菲的消减空间动态的变化相呼应,通过相关性分析可知这些酶(除了磷酸酶)与菲的消减呈正相关性。