【摘 要】
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工业三废及化肥农药等产生的重金属均对土壤、水体和大气造成了不同程度的污染,环境中的重金属经食物链放大效应蓄积在动植物体内,使其生长发育和生理机能受阻。鸟类作为食物链中的高级消费者,对湿地环境污染更加敏感,从栖息环境中获取重金属的数量和速率相对更多更快。重金属通过皮肤、呼吸、食物链等途径在鸟类体内富集,并对其生长发育、营养健康及免疫功能产生不同程度损害,进而破坏鸟类种群稳定性。肠道微生物作为反映机体
【基金项目】
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国家自然科学基金“湿地修复对黄河三角洲湿地鸟类及其环境重金属空间分布的效应(31672314)”;
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工业三废及化肥农药等产生的重金属均对土壤、水体和大气造成了不同程度的污染,环境中的重金属经食物链放大效应蓄积在动植物体内,使其生长发育和生理机能受阻。鸟类作为食物链中的高级消费者,对湿地环境污染更加敏感,从栖息环境中获取重金属的数量和速率相对更多更快。重金属通过皮肤、呼吸、食物链等途径在鸟类体内富集,并对其生长发育、营养健康及免疫功能产生不同程度损害,进而破坏鸟类种群稳定性。肠道微生物作为反映机体功能的一个重要指标,与环境重金属和宿主之间存在着密切相互作用。但目前对肠道菌群和重金属的研究大多局限于人工饲养物种及室内实验模型,对野生鸟类肠道菌群及其与重金属之间关系的研究仍较为缺乏,需进一步深入探讨。本研究以草海自然保护区越冬期黑颈鹤(Grus nigricollis)为研究对象,分析其肠道微生物多样性及肠道菌群与环境重金属之间的关系。同时,为了不破坏原有的生境和生态平衡,本研究以黑颈鹤粪便为菌源分离筛选出一株耐重金属Cd和Zn的菌株用于修复黑颈鹤重金属污染栖息地。对筛选获得的菌株进行分子生物学鉴定、生长条件优化和耐受性能测定,并利用动力学模型、等温吸附模型以及多种表征初步探究其吸附特性和机理。主要研究结果如下:(1)对草海自然保护区的土壤和黑颈鹤粪便样品进行重金属含量测定。结果显示,两者重金属含量整体趋势一致,均为Zn>Ni>Cd>Pb,表明黑颈鹤体内重金属含量与栖息地环境密切相关,重金属可经食物链等途径蓄积在动物体内。肠道微生物多样性分析结果显示,在门水平上,厚壁菌门和变形菌门为细菌优势菌门,子囊菌门和担子菌门为真菌优势菌门;在属水平上,细菌主要是乳杆菌属、假单胞菌属和微小杆菌属,真菌主要是Tausonia和短梗霉属。肠道菌群丰度和多样性与重金属含量存在一定程度的负相关,粪便重金属含量低的黑颈鹤其肠道菌群结构更复杂、物种丰度更高。(2)本研究筛选获得一株耐重金属Cd和Zn的目的菌株,经r RNA-ITS序列鉴定为Vanrija humicola sp.,将其命名为Vanrija humicola sp.GN1,Gen Bank登录号为MZ323107。单因素实验显示在初始p H=6、培养温度30℃、培养时间108 h、菌体投加量1 g·L-1时,菌株GN1的生长状况最好。初始重金属浓度实验结果表明,不同浓度的Cd2+/Zn2+均会对菌株GN1生长分化产生抑制作用。但当Cd2+/Zn2+浓度不高于0.1/2 g·L-1时对其生长代谢造成的影响较小。菌株GN1对Cd2+和Zn2+的抗性较强,其最低抑菌浓度为10/200 g·L-1。(3)动力学和等温吸附模型拟合数据表明,菌株GN1对Cd2+和Zn2+的吸附过程更加符合准二级动力学模型和弗罗因德利希(Freundlich)模型。说明菌株GN1的吸附主要是化学吸附,为多分子层非均质吸附。同时,Freundlich模型中的KF和1/n值表明,菌株对两种金属离子均具有较强的吸附力,该过程较易发生,对Zn2+的结合力相对高于Cd2+。(4)为进一步探究吸附机理,对吸附重金属前后的菌株GN1进行了结构和形貌分析。SEM-EDS结果表明,Cd2+和Zn2+的毒性作用会影响菌株形态,使菌体变粗糙。EDS图谱中,Cd和Zn特征峰的出现表明金属离子被成功吸附到细胞表面。FTIR显示,菌株GN1表面存在大量的羟基、羧基、羰基等官能团,为菌株GN1高效吸附重金属离子提供了条件。此外,XRD和XPS图谱表明,多种官能团参与了吸附过程,细胞表面的含C、O元素官能团可通过离子交换、静电吸引、配位络合等形成Cd CO3、Cd(OH)2和ZnO等化合物,羟基可能在该过程中发挥重要作用。
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