抚顺西露天矿区土壤污染评价及微生物群落特征研究

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矿区露天开采过程中产生大量的废弃岩性物料,不仅会向环境中释放高浓度的重金属,还会破坏矿区土壤微生物的种群多样性和群落结构,进而对矿区土壤环境造成污染。为了探究抚顺西露天矿区内风化土壤的污染现状,本研究以矿区4个典型区域为代表,以不同岩石物料堆积层的风化物及风化物与杂土或客土形成的混合土(简称为矿区土壤)为研究对象,利用XRF、ICP、ABS、GC-MS等方法,检测土壤的理化指标、重金属含量及多环芳烃含量等,确定了矿区土壤中的特征污染物。采用单因子污染指数、内梅罗污染指数及潜在生态风险指数等评价方法对矿区土壤重金属污染潜在生态风险进行评估。基于宏基因组16S rDNA测序,研究了矿区土壤微生物的群落特征。最后分析矿区土壤的理化指标与重金属含量对微生物多样性与群落组成的影响以及三者之间关系。(1)矿区土壤理化指标检测结果表明:含水率(WC)为3.9-12.7%,矿区土壤 pH 值为 7.0-9.7,有机质(OM)为 5.3-10.4 g/kg,总氮(TN)为 2.0-5.1 g/kg,速效氮(AN)为 39.3-341.5 mg/kg,总磷(TP)为 0.7-1.3 g/kg,速效磷(AP)为 2.7-16.5 mg/kg,总钾(TK)在 3.9-14.2 g/kg,速效钾(AK)为 86.7-288.0 mg/kg。实验结果表明,不同岩石母质风化土壤的理化性质存在较大差异。(2)矿区土壤中8种主要重金属Cd、Ni、Cr、Zn、Cu、Pb、Hg和As的平均含量分别为 2.08 mg/kg、113.70 mg/kg、80.00 mg/kg、121.80 mg/kg、61.00 mg/kg、18.38 mg/kg、1.33 mg/kg和5.03 mg/kg。分别以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)和《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》(GB36600-2018)的风险筛选值作为对比参照值,发现所有样品中只有Cd的含量以及煤矸石风化区(CGA)中Ni的含量超过农用地筛选值,但均未超过建设用地筛选值。因此,可判断出Cd是矿区土壤中重金属污染的特征元素。(3)利用单因子污染指数法对矿区土壤重金属污染进行评价,污染指数排序为Cd>Cu>Ni>Hg>Zn>Cr>As>Pb。所有重金属中,Cd的污染指数最大,属于中度污染;其余重金属PI≤1,未达到污染水平。内梅罗污染指数评价结果为:CGA属于重度污染(Pn>3),除MA-1外的其他区域为中度污染(2<Pn<3),元素污染排序为Cd、Cu、Ni、As、Zn、Cr、Pb、Hg。污染负荷法评价的污染排序为:混合堆积区(mixed area,MA)<绿泥岩堆积区(green mudstone area,GMA)<油页岩堆积区(oil shale area,OSA)<煤矸石堆积区(coal gangue area,CGA),CGA为污染最严重的区域。矿区潜在生态风险指数在98.62-224.55之间,CGA为中等生态危害,其他区域为轻微生态危害,故矿区土壤存在生态风险,但危害程度有限。(4)样品在分类学分析中有97.4%的OTUs被划分到相对应的细菌域,有2.6%未被分类。其中有大约97.0%的OTUs划分到门级别、88.6%的OTUs划分到科级别、72.7%的OTUs划分到属级别。其中Proteobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Gemmatimonadetes、Acidobacteria、Firmicutes和Nitrospirae为矿区土壤的优势菌门,共占该矿区相对丰度的94.8%。不同区域矿区土壤存在不同的优势属和特有种,其功能属性不同。(5)矿区微生物群落多样性和丰度的排序为CGA>MA>GMA>OSA。4个区域在PCA的二维空间是相对独立的,在相同区域相关性良好,表明土壤对微生物群落的影响很大。在同一采样点不同深度处的微生物群落也具有差异。矿区土壤理化指标中的pH-AN-EC-WC-TK和重金属Cd-Ni对土壤微生物群落的组成和多样性影响最大,且微生物群落与采样区域之间的差异具有良好的相关性。微生物(属)与环境因素之间的网络关系证实微生物群落与环境因素之间的对应关系,主要包含98个重要的关联,其中54为显著正相关,44为负相关。结果表明,细菌群落在岩性物质风化过程中与环境因子具有显著的相关性。
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