重金属污染土壤的微生物分子生态及对修复效应的影响

论文摘要

微生物作为土壤生态系统的重要组成成分,其活性和种群变化影响着土壤质量。土壤微生物对重金属的适应性与耐性虽相当普遍,但有关其机理及定量描述适应性大小方面的工作仍很缺乏。本项目拟采用PCR-DGGE、分子克隆、荧光定量PCR等生物技术并结合传统微生物学方法研究野外实验条件下重金属污染土壤的微生物分子生态变化规律,获得重金属污染下土壤微生物结构和功能组成,为重金属污染土壤生态系统的恢复及土壤重金属的修复提供理论依据,主要结论有: （1）浙江富阳因铜矿冶炼而导致废水引灌和废气颗粒沉降引起的土壤Cu、Zn等复合污染,因此我们在浙江富阳某铜冶炼厂附近建立铜污染土壤的修复示范基地,占地20亩,示范区土壤铜浓度最高达833mg/kg,锌浓度在1000-4000mg/kg。土壤中重金属Cu和Zn不同提取态的浓度与微生物生物量和磷酸酶的活性呈负相关。对DGGE结果分析得知距冶炼厂50m、200m、600m在微生物物种组成上差异显著。而且代表优势物种的较亮的条带在数量和位置上有明显的不同。 （2）为了研究植物根际效应对微生物的影响,利用PCR-DGGE结合克隆与荧光定量连用探讨海州香薷、三叶草和鸭趾草根际微生物群落组成。结果显示Cu的浓度显著的影响了植物生物量,尤其以三叶草最为明显,而海州香薷在Cu处理为500mg/kg时其生物量显著高于鸭趾草与三叶草。随着重金属浓度的升高,根际土壤pH值明显下降。随着添加土壤铜浓度的增加,未种植植物、Cu敏感植物三叶草、鸭趾草根际微生物群落结构多样性下降,但是当低于500mg/kg处理,Cu耐性植物海州香薷根际微生物多样性增加。通过条带回收、克隆测序的结果揭示了海州香薷根际微生物的种群主要以α、β、γ-Proteobacteria、放线菌、CFB类群等构成,并构建了铜污染土壤植物根际微生物的微生物群落组成基因文库。我们进一步对β-Proteobacteria进行荧光定量,发现未种植植物、Cu敏感植物三叶草、鸭趾草根际β-Proteobacteria的拷贝数下降。对于铜的耐性植物海州香薷,随着重金属浓度的升高,其拷贝数是先增加后下降,铜的浓度200mg/kg处理下β-Proteobacteria的拷贝数出现一个拐点。进一步表明了表明土壤微生物在海州香薷对土壤铜的耐性中发挥着重要的作用。 （3）于海州香薷根际存在大量的铜耐性微生物,因此我们研究了海州香薷根际微生物对土壤重金属活性的影响及植物对铜吸收的影响。从根际分离到的微生物增加了富阳土壤水溶态Cu、Zn的活性。进一步的微生物抑制试验证实由于氨比西林(0.1mgg-1)

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 表索引
• 图索引
• Index of Tables
• Index of Figures
• 第一章 文献综述
• 1.1.引言
• 1.2.重金属污染对土壤微生物生理生态多样性的影响
• 1.2.1.重金属对土壤微生物活性的影响
• 1.2.2.重金属对土壤酶活性的影响
• 1.2.3.重金属对土壤微生物群落组成的影响
• 1.3.基于分子水平的土壤微生物群落组成研究方法
• 1.3.1.核酸分子杂交
• 1.3.2.变性梯度凝胶电泳（DGGE）
• 1.3.3.末端限制性片段长度多态性（T-RFLP）
• 1.3.4.微生物放射技术（Microradioautography）
• 1.3.5.荧光定量PCR（QPCR）
• 1.3.6.环境基因组（Metagenome）
• 1.4.重金属对土壤微生物分子生态影响的研究进展
• 1.4.1.不同重金属污染类型的影响
• 1.4.2.植物根际效应
• 1.4.3.土壤养分条件的影响
• 1.4.4.研究趋势
• 1.5.土壤微生物对重金属形态的影响及功能微生物的作用
• 1.5.1.微生物对重金属的溶解
• 1.5.2.微生物对重金属的生物吸附和富集
• 1.5.3.微生物在土壤生物修复中的应用
• 1.6.土壤硫对重金属形态影响及氧化硫硫杆菌的作用机制
• 1.6.1.土壤中重金属和硫结合形态的影响
• 1.6.2.硫对土壤重金属活性的影响
• 1.6.3.硫氧化还原菌的作用
• 1.7.论文的研究意义、研究目标与研究内容
• 1.7.1.研究意义
• 1.7.2.研究目标
• 1.7.3.研究内容
• 1.7.4.技术路线
• 1.8.参考文献
• 第二章 铜冶炼厂附近Cu/Zn的分布及对土壤微生物活性与群落结构的影响
• 2.1.前言
• 2.2.材料与方法
• 2.2.1.铜冶炼厂附近土壤的采样
• 2.2.2.根际土壤与植物样品采集
• 2.2.3.重金属污染土壤梯度样品的采集
• 2.2.4.土壤样品的分析
• 2.2.5.土壤重金属的连续提取
• 1.2.6.土壤微生物生物量及酶活分析
• 2.2.7.土壤总DNA的提取
• 2.2.8.DNA的纯化
• 2.2.9.PCR扩增
• 2.2.10.DGGE
• 2.2.11.DGGE条带的分析
• 2.3.结果分析与讨论
• 2.3.1.土壤基本性状分析
• 2.3.2.冶炼区土壤有效态重金属的分析
• 2.3.3.冶炼区土壤重金属的形态分析
• 2.3.4.污染区重金属污染土壤对微生物生物量的影响
• 2.3.5.污染区重金属污染对土壤酶活的影响
• 2.3.6.污染区重金属污染对土壤微生物群落结构的影响
• 2.3.7.污染区土壤植物根际效应及对微生物的影响
• 2.4.本章小结
• 2.5.参考文献
• 第三章 铜污染土壤微生物分子生态及在海州香薷耐铜中的作用
• 3.1.前言
• 3.2.材料与方法
• 3.2.1.试验设计
• 3.2.2.土壤、植物样品的采集
• 3.2.3.土壤提取态重金属分析
• 3.2.4.土壤酶活分析
• 3.2.5.土壤微生物PCR-DGGE分析
• 3.2.6.DNA片段回收、克隆与测序
• 3.2.7.系统发育树分析
• 3.2.8.土壤主要种群的荧光定量PCR
• 3.3.结果与讨论
• 3.3.1.土壤不同浓度Cu处理下植物生物量情况
• 3.3.2.土壤不同浓度处理下根际pH变化
• 2.3.3.根际土壤有效态重金属的变化
• 3.3.4.根际土壤Cu形态变化
• 3.3.6.土壤Cu污染微生物磷酸酶的影响及植物效应
• 3.3.7.土壤Cu污染微生物群落结构的影响及植物效应
• 3.4.本章小结
• 3.5.参考文献
• 第四章 重金属污染土壤耐性微生物的筛选及其修复效应的影响
• 4.1.前言
• 4.2.材料与方法
• 4.2.1.耐铜微生物的分离与纯化
• 4.2.1.1.土壤耐铜微生物的分离
• 4.2.1.1.铜草根际耐铜微生物的分离
• 4.2.2.供试土壤基本性质
• 4.2.3.微生物对富阳土壤重金属活性的影响
• 4.2.4.微生物和不同C、N源共同作用对富阳土壤重金属活性的影响
• 4.2.5.微生物抑制剂作用下微生物对土壤重金属活性的影响
• 4.2.6.铜耐性微生物对植物吸收Cu的影响
• 4.3.结果与讨论
• 4.3.1.微生物对土壤水溶态重金属活性的影响
• 4.3.2.微生物抑制剂作用下微生物对土壤重金属活性的影响
• 4.3.3.微生物和不同的C、N源共同作用对富阳土壤重金属活性的影响
• 4.3.4.微生物作用下海州香薷对Cu吸收的影响
• 4.4.小结
• 4.5.参考文献
• 第五章 不同形态硫对铜锌形态影响的物理化学与微生物作用机制研究
• 5.1.前言
• 5.2.材料与方法
• 5.2.1.土壤样品的分析
• 5.2.2.不同硫化物对重金属形态的影响
• 5.2.2.土壤微生物群落组成分析
• 5.2.2.S对海州香薷吸收重金属的影响
• 5.3.结果与讨论
• 5.3.1.不同形态底物S处理下土壤pH的变化
• 5.3.2.底物硫作用下土壤重金属有效性变化
• 5.3.3.底物硫代硫酸钠作用效果分析
• 5.3.4.底物亚硫酸钠作用下土壤重金属有效性变化
• 5.3.5.微生物群落多样性分析
• 5.3.6.海州香薷体内铜锌积累量
• 5.4.结论
• 5.5.参考文献
• 第六章 螯合诱导的植物修复效应及对土壤微生物的影响
• 6.1.前言
• 6.2.材料与方法
• 6.2.1.供试土壤
• 6.2.2.供试植物
• 6.2.3.试验处理
• 6.2.4.样品的采集与分析
• 6.2.5.土壤微生物PCR-DGGE分析
• 6.2.7.DGGE条带的分析
• 6.3.结果与讨论
• 6.3.1.不同处理下海州香薷和三叶草的生物量
• 6.3.2.不同处理下土壤有效态重金属的变化
• 6.2.3.螯合剂处理下两种植物对Cu、Zn吸收的影响
• 6.3.4.螯合剂处理下根际微生物群落结果分析
• 6.4.小结
• 6.5.参考文献
• 第七章 全文研究结论与展望
• 7.1.研究结论
• 7.2.本研究的创新点
• 7.3.研究展望
• 攻读博士期间发表论文及奖励
• 致谢
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书