土壤外源铬的微生物毒害与生态安全阈值初步研究

论文摘要

本论文研究了重金属铬（Cr）在山东潮土和江西红壤中对微生物参数和植物根伸长的毒害效应,并利用实验获得的数据和文献搜集的数据建立Cr（Ⅵ）的生态毒理学数据库,基于物种敏感性分布（SSD）方法,初步推导出两种典型土壤条件下Cr的生态安全阈值,可为Cr污染土壤的生态风险评价和修复管理等提供参考。（1）通过微生物测试的方法,研究了两种典型土壤下潜在硝化速率（PNR）、土壤脱氢酶活性、脲酶活性和磷酸酶活性及其相关功能菌群丰度、铬还原菌丰度、总细菌丰度和群落结构随外源Cr（Ⅵ）添加水平(8个添加浓度,范围为0428mg·kg-1)的变化,拟合微生物指标与Cr之间的剂量效应关系,并比较两种典型土壤中Cr（Ⅵ）、Cr（Ⅲ）和有效态Cr浓度的变化。研究结果表明Cr只在山东潮土中对铬还原菌丰度具有低浓度促进作用,对两种土壤中的其余微生物指标均具有抑制作用;Cr的浓度变化对土壤细菌群落结构也具有显著影响。在同一Cr添加浓度下,山东潮土中的Cr（Ⅵ）和有效态Cr浓度高于江西红壤;与总量Cr相比,微生物指标与有效态Cr浓度的关系更密切。在山东潮土和江西红壤中,基于剂量-效应曲线斜率（b）值的绝对值发现潜在硝化速率和氨氧化细菌丰度分别是对Cr浓度变化反应最快速的微生物指标。根据两种典型土壤下微生物数据建立的半数有效浓度(EC50)与10%有效抑制浓度(EC10)之间的量化模型能较为准确地通过微生物指标的EC50值计算EC10值。通过比较EC50值发现,氨氧化细菌丰度和潜在硝化速率可分别作为山东潮土和江西红壤中重金属Cr污染微生物毒害的诊断指标。（2）通过植物筛选试验获得了两种典型土壤下不同植物品种根伸长随外源Cr（Ⅵ）添加水平(8个添加浓度,范围为0428 mg·kg-1)的变化,拟合了19个植物品种根伸长与Cr之间的剂量-效应曲线,得到Cr对植物根伸长指标的毒性阈值。结果表明Cr对山东潮土中油菜、白萝卜、红萝卜、番茄和辣椒根伸长,及江西红壤中小麦、玉米、莴苣、韭菜、油麦菜和白萝卜根伸长具有低浓度促进作用,对其余植物品种的根伸长具有抑制作用。基于山东潮土和江西红壤中剂量-效应曲线斜率（b）的绝对值,发现大麦和番茄根伸长分别是对Cr浓度变化反应最快速的植物指标。利用山东潮土和江西红壤的植物根伸长数据建立的重金属Cr EC50和EC10量化模型能较为准确地通过EC50值计算EC10值。通过比较EC50值发现,韭菜和大豆根伸长可分别作为山东潮土和江西红壤中重金属Cr污染植物毒害的警示指标。（3）通过基于实验和文献获取的中国土壤Cr（Ⅵ）生态毒理学数据,建立Cr对土壤脱氢酶活性、脲酶活性和磷酸酶活性的EC50与土壤性质关系的预测模型,在模型预测与种内变异分析后,选用适宜的EC10模型进行种间外推和归一化处理,综合归一化后的文献数据和本研究实验结果,利用BurrⅢ构建了山东潮土和江西红壤条件下Cr的SSD曲线,初步推导出这两种土壤性质下的生态安全阈值。结果表明:从生物大类即土壤植物、动物和微生物水平上,三者对Cr的生态毒性敏感性没有表现出明显的规律;土壤细菌丰度和潜在硝化速率分别是山东潮土和江西红壤对Cr污染最敏感的生物指标;在山东潮土和江西红壤中保护95%生物物种的浓度值（HC5）分别为1.90和0.44 mg·kg-1,远低于现行的国家土壤环境质量标准。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 Cr的性质

1.2 土壤Cr污染现状及来源

1.3 Cr在土壤中的迁移转化

1.4 土壤Cr的生态毒性

1.4.1 土壤Cr对微生物的毒性

1.4.2 土壤Cr对植物的毒性

1.4.3 土壤Cr对动物的毒性

1.5 土壤Cr的环境质量标准现状

1.6 土壤生态安全阈值建立的必要性

1.7 研究目的和内容

1.7.1 研究目的和意义

1.7.2 研究整体思路和内容概要

第二章土壤外源铬的微生物毒害

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 土壤样品采集与实验设计

2.2.2 土壤微生物群落功能分析

2.2.3 土壤微生物群落结构分析

2.2.4 土壤Cr的价态和形态分析

2.2.5 数据处理与分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 两种典型土壤下Cr对微生物功能及其相关菌群的影响

2.3.2 两种典型土壤下Cr对细菌丰度和群落结构的影响

2.3.3 两种典型土壤中Cr的价态、形态和Cr还原菌群的变化

2.3.4 两种典型土壤下Cr对微生物指标的毒性阈值

2.4 小结

第三章土壤外源铬的植物毒害

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验设计与测定方法

3.2.2 数据处理与分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 两种典型土壤下Cr与植物根伸长的剂量-效应关系

3.3.2 两种典型土壤下Cr对植物根伸长的毒性阈值

3.4 小结

第四章土壤外源铬的生态安全阈值初探

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 Cr毒理学数据的筛选

4.2.2 数据处理与分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 生态毒性预测模型的建立及其准确性

4.3.2 归一化前后的种内变异比较

4.3.3 生态毒性预测模型的种间外推

4.3.4 两种典型土壤下Cr的 SSD曲线

4.4 小结

第五章结论与展望

5.1 研究结论

5.2 创新点

5.3 应用前景

5.4 问题与展望

参考文献

致谢

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 于修乐

导师: 马义兵,李菊梅

关键词: 土壤,微生物毒性,植物毒性,物种敏感性分布,归一化,生态安全阈值

来源: 济南大学

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: 济南大学

基金: 国家重点研发计划项目(2016YFD0800406)

分类号: X53;X172

DOI: 10.27166/d.cnki.gsdcc.2019.000354

总页数: 71

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