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金属矿产开采过程所产生废水、废气和固体废弃物中的有害成分通过径流、大气交流等方式对矿区及周边地区的生态环境造成了严重的破坏,其中由于酸性矿山废水外排所带来的大量矿山周边酸性—重金属污染土壤的生态修复也已成为困扰环境领域的重要难题。近年来,植物修复因其治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性等优点而成为重金属污染土壤生态修复中最具竞争力的技术之一,然而土表极端的环境条件将限制绝大多数植物的生长,因此利用各种措施加速重金属污染土壤植物修复的进程已成为环境领域新的热点问题。
植物根际促生菌是指能够通过分泌有益物质从而直接或间接促进植物生长的一类细菌,研究表明其促生作用在恶劣的环境条件下表现尤为突出,因而被认为是辅助植物在逆境中定殖的关键性因素。就复垦植物而言,所选用的植物品种应该是不以食用为目的,并且能够在酸性矿山污染土壤生长的金属耐性植物。基于此,本研究从不同矿山植物根际土壤中筛选出两株具有较强重金属抗性的根际促生菌,在对其促生特性、生长特性及对土壤重金属作用机制进行研究的基础上,进一步将其与能源植物——麻疯树和油菜结合应用于原位污染土壤的修复中,旨在成功建立矿山周边酸性污染土壤的微生物—植物联合修复技术体系,为联合修复技术在我国的推广应用提供科学依据和实践参考。主要研究结果如下:
1.采用富集筛选法,从不同矿山植物根际土壤中筛选出2株能以ACC为唯一氮源正常生长的植物根际细菌。经生理生化特征及16SrDNA序列分析,确认均为伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia sp.YNM和Burkholderia sp.DBM)。
2.菌株Burkholderia sp.YNM和Burkholderia sp.DBM具有溶磷、固氮、分泌IAA、产生铁载体和促进植物生长等多种促生特性,因此均为宝贵的生物资源;同时研究发现菌株对温度、pH值、盐浓度具有较广的适应范围,对多种重金属离子具有较强的抗性,因此可被广泛应用于多种环境条件下的污染修复工作中,
3.土壤淋溶试验结果表明,菌株对土壤重金属具有较强的固化能力,而这一作用是通过促进重金属向残渣态进行迁移转化来实现的,原因可能一方面在于菌株分泌物具有钝化重金属离子的能力,另一方面是由于菌体本身对金属离子的吸附作用降低了其生物可利用性。
4.温室条件下,在两种污染程度不同的土壤中,考察接种YNM、DBM或两者混施对麻疯树生长及金属吸收的影响,结果表明:尽管处理之间植物体内重金属含量并未发生显著变化,但接菌处理能有效地促进植物生长,降低重金属毒害作用,因此研究认为供试菌株对麻疯树的主要作用仍然表现为促生功能,且研究发现接种菌株可以有效缓解过氧化作用对植物组织的伤害,增强植物的抗逆性和适应性,这可能是菌株缓解重金属毒害作用的重要机制之一。
5.大田条件下,考察单施菌剂、改良剂或两者混施对苗期和收获期油菜生长及金属吸收的影响,结果表明:无论单施菌肥还是改良剂,均能有效增加植物生物量,且混施处理的效果优于单独施用,说明二者之间存在积极的交互作用;施加改良剂降低了植物各部分重金属含量,而施加菌剂则主要是通过降低地上部重金属含量的同时增加地下部金属含量的方式来减少环境隐患,联合施用有利于进一步降低植物地上部金属含量,而地下部金属含量则介于两者单独施用处理之间。纵向比较前后两批植物的生长和金属吸收情况可以发现,尽管不同处理植物生物量仍高于对照,但与第一批植物相比,促生效果有所降低,对重金属的固定效果也有所下降。在所有处理中,粉煤灰+DBM的处理效果都是最好的,这一结果可以为矿山酸性污染土壤联合修复技术的推广提供参考。