耐锰细菌筛选及对构树修复锰污染土壤影响的研究

来源 :湖南农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:xuzhidanxu
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微生物强化植物修复已成为当前国内外治理重金属污染土壤的重要方式之一。根际微生物与土壤环境、植物生长密切相关,在降低重金属毒性、提高重金属的生物利用率、促进植物生长和矿物质吸收中起重要作用。本研究从湖南湘潭锰矿区筛选出三株耐Mn细菌,分别从生理特征、Mn吸附特性和植物促生性对其展开研究,确定植物-微生物联合修复的候选菌株。在探究构树(Broussonetia papyrifera)对Mn的生理响应机制和积累特征后,通过盆栽实验研究耐Mn菌株对构树在不同Mn污染情况下的根系发育、植株生长、生理响应、光合作用和Mn积累特征的影响,建立了构树-微生物(B.cereus HM5/B.thuringiensis HM7)联合修复体系,以期为Mn污染土壤的治理和生态修复工程的实践提供理论基础和技术途径。研究主要结果如下:(1)从湖南湘潭锰矿区的矿渣中分离出的三株耐Mn菌株,通过16s rDNA序列测定后分别鉴定为Bacillus cereus HM5、Bacillus thuringiensis HM7和Ralstonia picketti HM8。生物吸附实验中,B.cereusHM5、B.thuringiensis HM7和R.picketti HM8在溶液中Mn 2+浓度为400 mg/L时去除率最高,分别达到99.51%、95.04%和46.02%,且R.picketti HM8在极高的Mn浓度(10000 mg/L)下仍能生长,最高Mn2+去除量为1002.83mg/L。不同培养条件下的单因素实验表明,初始Mn2+浓度、温度、时间、pH等因素对菌株的生长和Mn2+的吸收有显著影响。FTIR和SEM分析发现,菌株细胞表面的官能团(羧基、羟基、羰基、酰胺基、磷酸基和烃基等)参与了Mn2+生物吸附过程,且吸附后菌株大小发生变化,表面出现褶皱,菌体之间出现絮状物,这些现象可能与细菌氧化还原Mn(II)有关。在植物促生性方面,B.cereus HM5、B.thuringiensis HM7和R.picketti HM8都具有产IAA和溶磷能力,B.cereus HM5、B.thuringiensis HM7具有产铁载体的能力。然而,由于R.picketti HM8对植物可能具有致病性,最终确定B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7作为本研究强化植物修复的候选菌株;(2)通过土壤盆栽实验发现,低浓度下的Mn可以促进构树根系的发育(0-5mmol/L)和植株的生长(0-2 mmol/L)。构树对Mn具有积累性,在各组织的Mn含量分布情况为叶>根>茎。随着土壤中Mn浓度的增加,植物各组织中Mn积累量也随之增加,其中根、茎、叶的最大值都出现在50 mmol/L处,与对照组相比(0 mmol/L)分别提高了177.37%、124.88%、511.86%的Mn含量;(3)Mn的积累使细胞膜脂质过氧化和活性氧自由基累积,导致构树体内MDA在短时间(3 h)内显著增加。脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖随之增加,降低Mn胁迫带来的渗透压力,缓解Mn对构树的毒害作用。另一方面,构树通过保持高效的抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)来清除植物体内的活性氧自由基,有效地减轻氧化应激作用。其中,在0-2 mmol/L的Mn浓度范围下,SOD和POD起主要调节作用,在2-50mmol/L时,CAT的变化幅度要远大于SOD和POD,即CAT在高浓度的Mn胁迫中起着主要的调节作用,但由于时间和浓度的积累,仍需要SOD、POD和CAT等酶系统共同调节降低脂质过氧化。构树抗氧化酶系统表现出对Mn极高的抵抗力,说明构树对氧化应激的适应性极强,有着良好的抗氧化酶系统,这个特点十分有利于构树在重金属污染土壤的修复与应用;(4)在Mn(5 mmol/L、50 mmol/L、锰矿渣)污染土壤中,向根系分别添加B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7菌液对构树进行盆栽试验,结果表明,接种B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7改善了土壤成分,提高了土壤中的TOC和TP含量。同时,接种菌株后构树的生物量、根系结构和活力均明显高于未接种对照组,说明B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7促进了构树根系的发育和植株的生长。在生理响应方面,微生物降低了构树叶片中的MDA含量,使CAT、SOD和POD活性处于平衡状态,表明B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7能降低Mn诱导的氧化应激,缓解了细胞膜脂质过氧化作用,降低了氧化损伤。在重金属积累方面,B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7都提高了构树对Mn的富集能力和Mn2+从根部向地上部分转运的能力,从而降低污染土壤中的Mn含量。这可能是因为在构树-微生物联合修复体系中,B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7通过其本身的产IAA、产铁载体和溶磷能力来改善污染土壤环境和促进构树生长。最后,B.cereus HM5和B.thuringiensis HM7通过促进构树的生长和对金属Mn的积累量,从而达到强化构树修复Mn污染土壤的目的。
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