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内生细菌强化植物修复钒矿污染土壤效应及机理研究

2020-12-02阅读(163)

内生细菌强化植物修复钒矿污染土壤效应及机理研究

论文摘要

钒矿开发导致的土壤钒（V）、铬（Cr）、镉（Cd）等复合重金属污染问题日益严重,目前国内外对钒矿污染土壤的修复技术研究较少,本研究采用内生细菌协同植物修复钒矿污染土壤,通过系列筛选试验、盆栽试验和水培试验,采用高通量测序、BIOLOG等技术手段和SEM-EDS、HPLC等分析方法,深入研究了内生细菌强化植物修复钒矿污染土壤的效应及机理。首先从钒矿污染区野生型蜈蚣草体内分离筛选出2株优势菌株,PRE01和PRE05,经鉴定分别为Serratia marcescens和Arthrobacter ginsengisoli。发现两株细菌均能高效产生IAA、铁载体、ACC脱氨酶和溶解矿质磷酸盐,同时具有较强的V、Cr和Cd抗性,其中PRE01抗性最优,对V、Cr和Cd抗性分别可达到30、6和4 mmol/L,其对Cd的最高吸附去除率为97.6%,对V（V）和Cr（VI）最大还原解毒率分别为81.1%和84.4%。Biolog Gen III板测试表明两株细菌在面对生物的或非生物的环境胁迫时拥有竞争优势。盆栽试验发现PRE01和PRE05可促进宿主植物蜈蚣草和非宿主植物印度芥菜的生长和对重金属的富集效果。PRE01使蜈蚣草体内V、Cr和Cd的积累总量分别提高了25.4%、14.3%和41.3%;印度芥菜体内V、Cr和Cd的积累总量分别提高了3 1.0%、18.0%和35.2%。生理生化分析表明,增强植物抗氧化酶活性是内生细菌缓解植物重金属氧化损伤,促进植物的生长的重要协作机制。内生细菌对蜈蚣草重金属解毒及溶矿促生机理研究发现,内生细菌主要通过增加蜈蚣草根系表面吸附态钒含量,强化根部对V（V）的还原,促进蜈蛇草分泌植酸、草酸和苹果酸来强化其对钒的解毒过程。同时发现内生细菌分泌铁载体和促进蜈蚣草分泌植酸溶解根际V-Fe复合物,是其促进蜈蚣草对铁和钒的吸收以及生长的主要原因。最后研究了内生细菌接种对根际及内生微生态的调控作用与机制,发现内生细菌接种可增加根际土有机质含量和重金属的有效性,其对根际细菌群落影响较小,但可显著影响内生细菌群落。尽管添加的PRE01和PRE05在植物根际和根内并没有持续性定殖,它们可在定殖早期通过营养物质和生态位的竞争作用提高内生细菌群落中Pseudomonas、Microbacterium等与促生和重金属解毒相关的菌属丰度。本文的研究成果将为内生细菌协同植物修复方法体系的构建提供借鉴,为内生细菌强化植物修复机制研究提供理论参考,对推动钒矿污染土壤生物修复研究与实践应用具有重要意义。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 1 引言
  • 2 文献综述
  •   2.1 我国土壤钒矿重金属污染现状及来源
  •     2.1.1 钒矿重金属污染的来源
  •     2.1.2 钒矿重金属污染现状及危害
  •   2.2 钒矿污染土壤修复技术
  •     2.2.1 物理修复技术
  •     2.2.2 化学修复技术
  •     2.2.3 生物修复技术
  •   2.3 钒矿污染土壤植物修复
  •     2.3.1 植物修复
  •     2.3.2 植物修复限制因素
  •     2.3.3 强化植物修复途径
  •   2.4 内生细菌强化植物修复污染土壤研究进展
  •     2.4.1 植物内生细菌概念及其优势
  •     2.4.2 植物内生细菌分离与筛选
  •     2.4.3 内生细菌的接种与定殖
  •     2.4.4 内生细菌在重金属污染植物修复中的应用
  •     2.4.5 内生细菌在非宿主植物修复中的应用
  •   2.5 内生细菌强化植物修复污染土壤机制研究进展
  •     2.5.1 内生细菌强化植物修复污染土壤的机理
  •     2.5.2 内生细菌接种对植物相关细菌群落的影响
  •   2.6 存在问题
  • 3 研究内容与试验方法
  •   3.1 研究目标和研究内容
  •     3.1.1 研究目标
  •     3.1.2 研究内容
  •   3.2 技术路线
  •   3.3 试验仪器与药剂
  •     3.3.1 试验仪器
  •     3.3.2 试验试剂
  •     3.3.3 培养基及用途
  •   3.4 试验方案
  •     3.4.1 试验材料
  •     3.4.2 内生细菌的分离筛选与性能测定
  •     3.4.3 内生细菌协同强化植物修复试验
  •     3.4.4 内生细菌对蜈蚣草重金属解毒及溶矿促生作用机制
  •     3.4.5 内生细菌对植物根际微生态的影响及其作用机制
  •   3.5 评价指标及检测方法
  •     3.5.1 评价指标
  •     3.5.2 检测方法
  • 4 钒、铬和镉抗性内生细菌的分离筛选及性能测定
  •   4.1 钒富集植物的筛选及其富集特征
  •   4.2 蜈蚣草内生细菌的分离
  •   4.3 内生细菌的筛选
  •     4.3.1 内生细菌的V、Cr和Cd抗性评价
  •     4.3.2 内生细菌的植物促生特性评价
  •   4.4 内生细菌PRE01和PRE05的鉴定
  •     4.4.1 基于16S rDNA的物种鉴定
  •     4.4.2 基于Biolog Gen Ⅲ板的生理生化鉴定
  •   4.5 内生细菌PRE01和PRE05对重金属的吸附和还原
  •     4.5.1 不同重金属离子对内生细菌生长的影响
  •     4.5.2 内生细菌对V、Cr和Cd的生物吸附
  •     4.5.3 内生细菌对V（Ⅴ）和Cr（Ⅵ）的生物还原
  •   4.6 接种PRE01对污染土壤中V、Cr、Cd的活化作用
  •   4.7 本章小结
  • 5 内生细菌协同植物修复V、Cr和Cd污染土壤效应和植物生理生化响应
  •   5.1 对植物生长的影响
  •   5.2 内生细菌接种对宿主和非宿主植物富集和转运重金属的影响
  •     5.2.1 对植物重金属富集量的影响
  •     5.2.2 对植物重金属富集系数和转运系数的影响
  •     5.2.3 对植物重金属提取总量的影响
  •   5.3 内生细菌接种对宿主和非宿主植物生理生化的影响
  •     5.3.1 对植物叶绿素含量的影响
  •     5.3.2 对植物叶片MDA含量的影响
  •     5.3.3 对植物活性氧代谢的影响
  •   5.4 本章小结
  • 6 内生细菌对蜈蚣草重金属解毒及溶矿促生的作用机制
  •   6.1 内生细菌接种对蜈蚣草重金属解毒过程的影响
  •     6.1.1 水培条件下内生细菌接种对蜈蚣草生长的影响
  •     6.1.2 对蜈蚣草吸收钒、磷、铁的影响
  •     6.1.3 对蜈蚣草富集钒途径的影响
  •     6.1.4 对蜈蚣草根系表面形貌及钒含量的影响
  •     6.1.5 对蜈蚣草体内钒形态分布的影响
  •     6.1.6 钒胁迫和内生细菌接种对蜈蚣草根系分泌有机酸的影响
  •   6.2 内生细菌-蜈蚣草协同溶矿促生机制
  •     6.2.1 内生细菌对钒酸铁的溶解作用
  •     6.2.2 内生细菌-蜈蚣草协同溶矿促生
  •   6.3 本章小结
  • 7 内生细菌接种对印度芥菜根际微生态的影响及其作用机制
  •   7.1 内生细菌在修复植物内定殖研究
  •   7.2 植物生长和重金属积累对内生细菌接种的响应
  •     7.2.1 印度芥菜生长和重金属富集的变化
  •     7.2.2 印度芥菜根系形态参数的变化
  •   7.3 内生细菌接种对根际土壤性质和重金属形态的影响
  •     7.3.1 对根际土理化性质的影响
  •     7.3.2 对根际土重金属形态的影响
  •   7.4 内生细菌接种对植物根际细菌和内生细菌群落的影响
  •     7.4.1 对细菌群落结构和功能的影响
  •     7.4.2 对细菌群落代谢功能多样性影响
  •   7.5 本章小结
  • 8 结论
  •   8.1 主要结论
  •   8.2 创新点
  •   8.3 研究展望
  • 参考文献
  • 附录A 内生细菌的16S rDNA基因序列
  • 作者简历及在学研究成果
  • 学位论文数据集

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 王亮

    导师: 林海

    关键词: 钒矿污染土壤,内生细菌,植物修复,促生,微生态

    来源: 北京科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

    单位: 北京科技大学

    基金: 十二五国家水体污染控制与治理科技重大专项《丹江口库区小流域特色矿产重金属污染全过程控制关键技术研究与示范》(2015ZX07205-003)课题

    分类号: X53;X17

    总页数: 144

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