铜铅对小麦生理生态特性及土壤固氮菌群落结构的生态毒理效应及其机理

论文摘要

随着人类活动频度与强度的日益增加,特别是近几十年来经济的飞速发展,导致了全球生态环境的日趋恶化,如大量重金属被释放并进入生态环境。目前,中国大部分地区的土壤（如农田）均存在严重的重金属污染问题。更为重要的是多种重金属污染并存,这对我国的环境健康与生态安全的可持续发展构成了重大威胁,特别是对植物生理生态特性和土壤微生物群落结构造成了多重影响。因此,探究并阐明重金属对植物生理生态特性和土壤微生物群落结构的生态毒理效应及其驱动机理己成为如今环境研究领域中倍受瞩目的重大科学问题之一。氮素在植物生长发育中是最重要的营养元素之一,而土壤氮循环是土壤物质循环的重要组分,所以,土壤固氮菌（SNB）的生物固氮在土壤氮循环过程中发挥着主导作用。世界三大谷物之一的小麦（Triticum aestivum L.）在中国分布尤其广泛,产量位居世界前列。小麦生理生态特性在其生长发育过程中起着至关重要的作用,而土壤固氮菌群落可提升土壤氮水平可利用率,但重金属污染可能影响小麦生理生态特性及土壤固氮菌群落结构,进而影响小麦的生长竞争力。基于此,本研究以小麦生理生态特性及土壤固氮菌群落结构为研究对象,人工增施不同浓度和类型的重金属铜（Cu）和铅（Pb）[（I）对照（CK,0 mg·kg-1土）;（II）低浓度Cu单一处理（35 mg·kg-1土）;（III）高浓度Cu单一处理（70 mg·kg-1土）;（IV）低浓度Pb单一处理（35 mg·kg-1土）;（V）高浓度Pb单一处理（70 mg·kg-1土）;（VI）低浓度Cu和Pb复合处理（35mg·kg-1土）;（VII）高浓度Cu和Pb复合处理（70mg·kg-1土）],以基于宏基因组学理论和方法为技术支撑,进而探究并阐明Cu和Pb对小麦生理生态特性及土壤固氮菌群落结构的生态毒理效应及其驱动机理。该研究结果可对有效实现重金属污染的环境健康与生态安全方面的风险评估奠定坚实的理论基础,并为重金属污染背景下小麦的生长管理提供强有力的实践指导。本研究主要结果如下:Ⅰ.Cu和Pb对小麦生理生态特性的生态毒理效应及其机理:（Ⅰ）在两种浓度的Cu和Pb单一处理下,小麦分蘖数、株高、地径、单叶鲜重、单叶干重、叶片厚度、单株鲜重、单株干重、叶叶绿素含量、叶氮含量、植物过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性均显著下降。因此,Cu和Pb单一处理下小麦生理生态特性显著降低,特别是小麦生产枝干的能力、植物支撑能力、叶片生长能力、植物生长能力、阳光获取的竞争能力、叶片光合作用能力以及在胁迫条件下的渗透调节能力。小麦株高、叶叶绿素含量和叶氮含量的显著降低可能是Cu和Pb单一处理对小麦生理生态特性产生生态毒理效应的主因,因为Cu和Pb单一处理可显著降低小麦阳光获取的竞争能力以及叶片光合能力。此外,Cu和Pb单一处理下小麦抗氧化酶活性显著降低,进而导致小麦在胁迫条件下的酶防御能力显著降低,从而致使Cu和Pb单一处理对小麦生理生态特性产生相应的生态毒理效应。Cu和Pb单一处理对小麦生理生态特性产生的生态毒理效应随其浓度的增加而显著增加,特别是叶叶绿素含量和叶氮含量。这可能是由于土壤中Cu和Pb的含量随着施加浓度的增加而显著增加,小麦生长所需能量成本额外增加,光合作用能力显著下降,进而其生长受到抑制。（Ⅱ）Pb单一处理下小麦地径和单株鲜重均显著低于相同浓度的Cu单一处理。因此,与Cu单一处理相比,Pb单一处理对小麦植物支撑能力和植物生长能力产生的生态毒理效应更强。这可能是由于Cu是植物生理过程中必不可少的微量元素,植物对Cu具有一定的耐受性。而Pb作为植物生长的非必需元素,可对植物的生理生态特性产生更强的生态毒理效应。（Ⅲ）Cu和Pb复合处理下小麦地径、单叶干重、叶厚、单株鲜重和脯氨酸含量均显著低于相同浓度的Cu单一处理和Pb单一处理。因此,Cu和Pb复合处理对小麦生理生态特性产生更强的生态毒理效应,特别是小麦的植物支撑能力、叶片支撑能力、叶片生长能力、植物生长能力以及在胁迫条件下的渗透调节能力。因此,与Cu单一处理和Pb单一处理相比,Cu和Pb复合处理可能对小麦生理生态特性的生态毒理效应具有明显的协同效应。此外,这也可能是由于在Cu和Pb复合处理下,土壤酸度更高,Cu和Pb的可溶性和毒性更大,进而对小麦生理生态特性产生更强的生态毒理效应。Ⅱ.Cu和Pb对土壤SNB群落结构的生态毒理效应及其机理:（Ⅰ）Cu和Pb明显影响SNB的α和β多样性。在两种浓度的Cu和Pb单一处理下,土壤SNB的OTU丰富度、Chaol指数和ACE指数均显著下降,这表明:土壤SNB种类和丰富度在Cu和Pb单一处理下显著下降。这可能是由于土壤酸化增加重金属的积累和溶解使其生态毒理效应进一步增强,进而通过改变SNB营养物质的摄取和利用,致使土壤SNB分类群组成发生变化。此外,SNB的种类和丰富度显著降低的原因也可能是由于在重金属处理下,土壤中的重金属含量显著增加,导致SNB生长额外能源成本明显提高。而与两种浓度的Cu单一处理相比,低浓度Pb单一处理下的土壤SNB的OTU丰富度和Chaol指数均显著降低。因此,与Cu单一处理相比,Pb单一处理处理对土壤SNB产生的生态毒理效应更强。这可能是因为Pb单一处理下土壤pH值更低,土壤酸化程度更强。由于Pb在土壤中易于与碱性物质形成络合物,不易转移,从而导致土壤pH值显著降低。土壤pH值降低还可通过降低土壤中不同抑制剂和活化剂的水平以及相应底物的有效浓度来抑制土壤微生物群落。此外,与Cu与Pb复合处理相比,Pb单一处理下土壤SNB的ACE指数显著降低。所以,与Pb单一处理相比,Cu与Pb复合处理却显著增加了土壤SNB的丰富度。这表明:Cu和Pb复合处理可能对SNB的α多样性具有一定的拮抗效应。因此,不同种类的重金属相互作用并非总是对生态进程产生协同效应。（Ⅱ）Cu和Pb显著影响一些SNB分类群的相对丰度。其中高浓度Cu单一处理下cAlphaproteobacteria和oSphingomonadales的相对丰度发生显著改变,高浓度Pb单一处理下fDesulfarculaceae的相对丰度发生显著改变,高浓度Cu和Pb复合处理下oMicrococcales和fClostridiales Family XVII Incertae Sedisis的相对丰度发生显著改变。这可能是由于不同SNB分类群对重金属的敏感性存在差异。故而,重金属对不同SNB分类群具有明显的选择性压力,从而导致一些土壤SNB分类群的相对丰度发生显著改变。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 重金属简介

1.1.1 重金属概念

1.1.2 重金属的来源

1.1.3 重金属在土壤中的有效性和迁移

1.2 Cu和Pb的来源及其环境浓度

1.2.1 Cu和Pb的来源

1.2.2 Cu和Pb的环境浓度

1.3 Cu和Pb的环境毒性

1.3.1 Cu和Pb的植物毒性

1.3.2 Cu和Pb的动物毒性

1.3.3 Cu和Pb的微生物毒性

1.4 Cu和Pb环境生态毒性的影响因素及其机理

1.5 固氮菌

1.5.1 氮循环

1.5.2 固氮菌的作用

1.5.3 固氮菌的影响因素

1.6 本研究的目的和意义

1.7 研究主要思路、内容技术路线

1.7.1 研究总体思路

1.7.2 研究内容

1.7.3 技术路线

第二章 Cu和Pb对小麦生理生态特性的生态毒理效应及其机理

2.1 前言

2.2 材料和方法

2.2.1 实验设计

2.2.2 小麦生理生态特性测定

2.2.3 土壤理化性质测定

2.2.4 小麦和土壤中重金属含量测定

2.2.5 统计分析

2.3 结果

2.3.1 Cu和Pb对小麦生理生态特性、土壤理化性质以及小麦和土壤重金属含量的影响

2.3.2 小麦生理生态特性、土壤理化性质与小麦以及土壤重金属含量之间的相关性

2.4 讨论

第三章 Cu和Pb对小麦根际土壤固氮菌群落结构的生态毒理效应及其机理

3.1 前言

3.2 材料和方法

3.2.1 实验设计

3.2.2 土壤理化性质测定

3.2.3 小麦和土壤总氮含量和重金属含量测定

3.2.4 土壤固氮菌群落SNB组成测定

3.2.5 统计分析

3.3 结果

3.3.1 Cu和Pb对土壤pH值的影响

3.3.2 Cu和Pb对小麦和土壤总氮含量以及重金属含量的影响

3.3.3 Cu和Pb对SNB的α和β多样性的影响

3.3.4 Cu和Pb对SNB相对丰度的影响

3.3.5 Cu和Pb对SNB群落组成的影响

3.3.6 土壤理化性质、小麦和土壤总氮含量与重金属含量以及SNB的α多样性之间的相关性

3.4 讨论

第四章结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其它科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜坤

导师: 王从彦

关键词: 重金属,小麦,生理生态特性,土壤固氮菌群落,生态毒理效应

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用,植物保护

单位: 江苏大学

分类号: X171.5;X503.231

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