填埋气体胁迫下适生植物根际土壤微生物分子生态学研究

论文摘要

近年来，卫生填埋作为城市生活垃圾广泛应用的最终处置方式日益暴露出局限性。卫生填埋场封场植被恢复缓慢，恶臭和温室气体污染以及景观生态破坏严重等问题，已成为影响我国城镇生态文明建设的制约因素之一。因此，本论文针对目前垃圾填埋场植被恢复缓慢所带来的若干问题，通过对杭州市天子岭垃圾填埋场植被调查和筛选，获得系列国内外首次报道的垃圾填埋场适生植物，在此基础上，构建了一种污泥或污泥堆肥强化覆土肥力适生植物适配种植的垃圾填埋场植被恢复技术，通过实验室模拟试验，探讨了填埋气体胁迫下适生植物白藜和高羊茅根际土壤微生物种群结构多样性及功能变化，阐明了填埋气体胁迫下污泥及堆肥污泥覆土改良及提升适生植物根际土壤甲烷氧化微生物分子生态学机理。研究结果为垃圾填埋场植被快速恢复和温室气体减排提供技术与理论依据。以杭州市天子岭垃圾填埋场为研究对象，运用植物分类学与植物生态学相结合的方法，调查分析了垃圾填埋场35科86种植物及其分布状况，发现填埋场植被自然恢复周期较长，约需7～8年，植被主要以耐干旱贫瘠，具有强侵占性和破坏性的草本植物为主，灌木次之，藤本植物和乔木的种类相当稀少，演替趋势符合废弃地植被演替的一般趋势。提出以人工控制天然草本植物的繁衍为基础，适当引入耐干旱贫瘠的抗性浅根系植物品种，通过强化填埋覆土肥力，促进植物生长，加速垃圾填埋场封场植被恢复进程的措施和建议。以垃圾填埋场植被调查为依据，结合生物多样性与景观生态设计原则，选取乔、灌木植物20种和草本植物9种，人工筛选获得女贞、湿地松、珊瑚朴、白藜、高羊茅等11种耐性适生植物，其中珊瑚朴、黄连木、大叶榉、红叶石楠、紫荆和白藜为国内外首次报道的垃圾填埋场适生植物。创建了以女贞、湿地松、珊瑚朴、红叶石楠、紫荆、高羊茅和画眉草等耐性适生植物为基础的“乔木+灌木+草本”组合适配填埋场覆土植被种植方案，自主研发了一套污泥强化覆土填埋场植被快速恢复技术，可缩短垃圾填埋场植被恢复时间2年以上。以垃圾填埋场适生植物白藜为试材，在实验室条件下，研究并探讨填埋气体胁迫下，适生植物白藜的生长发育对填埋覆土甲烷氧化活性和微生物种群结构多样性的影响及其相互关系。研究结果表明，白藜的种植可显著提高土壤中可培养细菌数量（P＜0．05）。在填埋气体胁迫下，自白藜生长的花期（90天），覆土可培养甲烷氧化菌数量和甲烷氧化活性均显著高于未经填埋气体处理的对照土壤（P＜0．05）。在白藜生长发育进入果期（150天）时，填埋气体胁迫下白藜根际土壤甲烷氧化菌数量和甲烷氧化活性最高。变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE） -分子克隆的研究结果表明，填埋气体胁迫下白藜根际土壤细菌种群结构多样性与纯土、纯土种植白藜和纯土加填埋气体处理土壤存在显著性差异。甲基八叠球菌属（Methylosarcina）是填埋气体胁迫下白藜根际土壤优势甲烷氧化菌群，而甲基球菌属（Methylococcus）、甲基孢囊菌属（Methylocystis）、甲基弯曲菌属（Methylosinus）则是未种植白藜的填埋覆土的主要甲烷氧化菌群。因此，填埋气体胁迫下，白藜根际对优势甲烷氧化菌群具有选择性，白藜的种植可显著提高覆土的甲烷氧化活性和细菌种群结构及多样性。选取垃圾填埋场适生植物高羊茅为研究对象，研究探讨了填埋气体胁迫下污泥和堆肥污泥等覆土添加剂对植物生长、光合性能、根际土壤甲烷氧化活性、根际土壤微生物种群结构多样性的影响及其相互关系。研究结果表明，填埋气体胁迫下，污泥或堆肥污泥的添加，可显著提高植物叶片叶绿素含量和光合特性，促进植物生长。末端限制性片段长度多态性分析（T-RFLP）技术分析结果表明，填埋气体胁迫下，污泥和堆肥污泥的添加可改变适生植物高羊茅根际土壤细菌种群结构多样性。添加污泥和污泥堆肥可显著提高根际土壤可培养甲烷氧化菌数量及其甲烷氧化活性（P＜0．05），相比之下，堆肥污泥添加效果更为明显。PCR-DGGE-分子克隆分析表明，添加污泥和堆肥污泥可显著提升高羊茅根际土壤甲烷氧化菌生物多样性，并使Ⅱ型甲烷氧化菌成为了其中的优势甲烷氧化菌。填埋气体处理与植物种植前，填埋覆甲烷氧化菌主要以Ⅰ型甲烷氧菌甲基球菌属（Methylococcus）和甲基杆菌属（Methylobacter）微生物为优势。在填埋气体胁迫下，添加堆肥污泥处理的高羊茅根际土壤甲烷氧化微生物甲基球菌属（Methylococcus）、甲基暖菌属（Methylocaldum）和甲基孢囊菌属（Methylocystis）为优势，且Ⅰ型甲烷氧化菌的丰度比Ⅱ型甲烷氧化菌更高；而添加污泥处理的高羊茅根际土壤甲烷氧化菌则以甲基暖菌属（Methylocaldum）、甲基孢囊菌属（Methylocystis）和甲基弯曲菌属（Methylosinus）为优势，根际土壤甲烷氧化菌群种类明显低于堆肥污泥处理，并以Ⅱ型甲烷氧化菌为主。显然，不同的填埋覆土改良剂对填埋气体胁迫下，适生植物根际土壤甲烷氧化微生物多样性的形成、数量及其活性的影响机制存在差异。尽管如此，添加污泥或堆肥污泥提升高羊茅根际土壤甲烷氧化活性的机理可能是由于养分促生，覆土孔隙度改善以及根系氧压增加的结果；填埋气体胁迫下，高羊茅根际土壤甲烷氧化菌群结构多样性差异是导致不同覆土改良剂作用下高羊茅根际土壤甲烷氧化活性存在显著性差异的重要因素。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 图表索引
• INDEX OF FIGURES AND TABLES
• 第一章 绪论
• 1.1 垃圾填埋场植被恢复研究进展
• 1.1.1 垃圾填埋场植被恢复
• 1.1.2 制约垃圾填埋场植被恢复的限制因素
• 1.2 垃圾填埋场植被调查及适生植物筛选研究进展
• 1.2.1 垃圾填埋场植被调查研究进展
• 1.2.2 垃圾填埋场植被筛选研究进展
• 1.3 垃圾填埋场适生植物耐性机制研究进展
• 1.3.1 基于分子水平的土壤微生物群落研究技术
• 1.3.2 垃圾填埋场植物与填埋覆土甲烷氧化微生物学机理研究进展
• 1.3.3 植物对污染物吸收的研究进展
• 1.4 论文研究意义、研究目标和研究内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究目标
• 1.4.3 研究内容
• 第二章 垃圾填埋场植被调查与适生植物筛选研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 天子岭垃圾填理场场内植被调查
• 2.1.2 天子岭垃圾填埋场周边植被调查
• 2.1.3 适生植物筛选供试地点与材料
• 2.1.4 适生植物筛选供试方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 天子岭垃圾填理场场内植被调查
• 2.2.2 天子岭垃圾填理场周边植被调查
• 2.2.3 供试植物成活率的统计
• 2.2.4 垃圾填埋场适生植物的确定
• 2.3 垃圾填埋场适生植物工程应用研究
• 2.3.1 工程设计与施工建设
• 2.3.2 植被恢复示范工程景观分析
• 2.4 小结
• 第三章 填埋气体胁迫下适生植物根际土壤微生物多样性变化研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 模拟填埋覆土反应器设计与搭建
• 3.1.2 供试土壤样品理化特性
• 3.1.3 供试植物与土壤样品的采集
• 3.1.4 土壤样品可培养细菌计数
• 3.1.5 土壤样品甲烷氧化菌数量
• 3.1.6 土壤样品甲烷氧化活性
• 3.1.7 土壤样品微生物 PCR-DGGE分析
• 3.1.8 DGGE割胶克隆与测序分析
• 3.1.9 统计分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 供试土壤特性分析
• 3.2.2 土样可培养微生物数量及甲烷氧化活性
• 3.2.3 土壤样品细菌多样性研究
• 3.2.4 白藜生物量测定
• 3.3 小结
• 第四章 覆土改良对填埋场适生植物根际土壤微生物多样性影响研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 模拟填埋覆土反应器设计
• 4.1.2 供试土壤、污泥及堆肥污泥样品理化特性
• 4.1.3 供试植物与土壤样品的采集
• 4.1.4 填埋气体胁迫下高羊茅叶片叶绿素含量的测定
• 4.1.5 填埋气体胁迫下高羊茅光合作用测定
• 4.1.6 土壤样品甲烷氧化菌数量的测定
• 4.1.7 土壤样品甲烷氧化活性的测定
• 4.1.8 土壤样品总细菌末端标记限制性片段长度多态性（T-RFLP）分析
• 4.1.9 土壤样品甲烷氧化菌PCR-DGGE分析
• 4.1.10 DGGE割胶克隆与测序分析
• 4.1.11 统计分析
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 污泥及堆肥污泥对覆土肥力的改良
• 4.2.2 各处理高羊茅对填埋气体胁迫的生长响应
• 4.2.3 土壤样品可培养甲烷氧化菌数量及甲烷氧化活性
• 4.2.4 土壤样品总细菌多样性分析
• 4.2.5 土壤样品甲烷氧化菌多样性分析
• 4.2.6 土壤样品甲烷氧化菌DGGE图谱特异性条带的克隆和鉴定
• 4.3 小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.1.1 垃圾填埋场植被调查与适生植物筛选研究
• 5.1.2 垃圾填埋场适生植物筛选与工程应用研究
• 5.1.3 垃圾填埋场适生植物白藜根际土壤微生物多样性研究
• 5.1.4 污泥强化覆土适生植物高羊茅根际土壤微生物多样性的研究
• 5.2 主要创新点
• 5.3 研究展望
• 参考文献
• 附录一 垃圾填埋场植物名录
• 作者简历及攻读博士期间发表的文章、专利及奖励