复合微生物菌剂对镉污染小麦土壤修复效应研究

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我国土壤镉(Cd)污染形势严峻,2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国土壤Cd点位超标率高达7%。微生物菌剂个体小、比表面积大、表面带有电荷,而且具有一定的代谢活性,可以有效的吸附以及生物转化土壤中的重金属,在重金属污染治理方面具有较大潜力。本研究首先采样批处理试验分析了复合菌剂对Cd2+吸附特征,阐明吸附前后菌剂表面结构特征及其与Cd2+作用机制,采用土培试验研究了复合菌剂对Cd污染土壤修复效应,最后通过大田实验验证了复合菌剂对Cd污染土壤修复应用效果,通过以上研究,以期为Cd污染土壤修复提供技术支撑。主要研究结果如下:(1)复合微生物菌剂在p H为7.0时吸附量达到最大值(12.23 mg/g),而有机物料腐熟剂在p H为4时吸附量最高(13.23 mg/g)。Freundlich等温线模型和准二级动力学模型更加符合两种菌剂对Cd2+的吸附过程。扫描电镜(SEM)与能谱分析(EDS)分析结果表明,吸附Cd2+后两种菌剂表面结构均有不同程度的破坏,且两种菌剂表面均有Cd元素分布,证明Cd成功吸附在菌剂表面。XRD试验结果表明吸附Cd2+后的复合微生物菌剂和有机物料腐熟剂表面分别形成了Cd CO3和Cd(OH)2。通过FTIR检测发现复合微生物菌剂参与吸附Cd2+的官能团有-OH、C-H、C=O、-NH和-CH;而有机物料腐熟剂则是-OH、C-H、C=O和-CH,两种菌剂与Cd2+的作用机制主要以菌体表面官能团的络合作用为主。(2)土壤中施加复合微生物菌剂培养40天后土壤p H和EC值分别较对照处理相比升高了0.84%-2.43%和31.6%-241.48%,土壤有机质含量增加了8.11%-24.1%,而土壤阳离子交换量降低了3.8%-40.51%。土壤有效态Cd含量较对照处理显著下降了15.48%-29.68%,且土壤Cd赋存形态向更稳定的残渣态转变。土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和脱氢酶活性随着复合微生物菌剂施加量的增加呈现出逐渐升高的趋势。(3)通过大田试验发现,施加复合微生物菌剂后小麦灌浆期和成熟期土壤p H值和有机质含量随施加量的增加而升高,而土壤电导率和阳离子交换量随施加量的增加呈现下降的趋势。小麦灌浆期和成熟期土壤有效态Cd含量随菌剂的施加均有不同程度的下降,其中成熟期菌剂施加量为600 g时土壤有效态Cd含量较对照处理显著下降了8.64%(p<0.05)。灌浆期土壤Cd铁锰氧化物结合态比例降幅为1.85%-4.27%,残渣态比例增幅为0.87%-4.83%。成熟期土壤可交换态比例下降了1.67%-2.48%,残渣态比例升高了3.32%-6.6%。不同浓度的菌剂处理下小麦产量增加了4.31%-15%。与对照处理相比,施加复合微生物菌剂后灌浆期和成熟期小麦根部Cd降幅分别为13.25%-32.6%和4.3%-28.38%。B300、B450和B600处理下小麦茎叶部Cd含量显著下降19.64%、20.63%和28.65%(p<0.05)。成熟期小麦籽粒Cd含量显著下降了12.83%-33.15%(p<0.05),其中B600处理降幅最大,达33.15%。与对照处理相比,在B450和B600处理下脲酶和脱氢酶活性显著增加(p<0.05)。添加复合微生物菌剂后,土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性较对照组均有不同幅度的升高,但各处理在统计学上均无显著差异(p>0.05)。土壤微生物OTUs序列数目和Shannon指数均有不同程度的增高,细菌群落物种多样性提高,不同处理下土壤拟杆菌门相对丰度有所减少,而变形菌门、酸杆菌门和厚壁菌门相对丰度有一定幅度增加。
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