土壤氨氧化過程和歐洲亞硝化單胞菌對(duì)重金屬的響應(yīng)研究.pdf

1、近年來，隨著全世界范圍內(nèi)污水灌溉、農(nóng)藥和化肥的大量使用，以及采礦、冶金業(yè)的迅速發(fā)展，造成重金屬以各種形式進(jìn)入大氣、水、土壤中，引起環(huán)境污染。這些重金屬污染物進(jìn)入土壤后對(duì)土壤生物及土壤微生物產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。硝化作用在氮循環(huán)中具有重要作用，并且硝化作用對(duì)重金屬脅迫非常敏感，也是對(duì)重金屬最敏感的土壤微生物過程之一。現(xiàn)在已有的研究結(jié)果表明重金屬污染對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、微生物生物量、基礎(chǔ)呼吸、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)礦化作用、CO2代謝商、土壤酶活性等都產(chǎn)

2、生了影響，并且高濃度重金屬對(duì)微生物的嚴(yán)重負(fù)面影響已被廣泛接受。
　　 本論文主要以氨氧化菌群豐富的潮土為研究對(duì)象，以土壤潛在硝化速率(PNR)為氨氧化菌群的生態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，研究潮土硝化作用對(duì)重金屬的響應(yīng)，同時(shí)利用超薄切片技術(shù)、透射電子顯微鏡(TEM)和能量擴(kuò)散X射線光譜分析法(EDS)聯(lián)用技術(shù)，分析不同種類和不同濃度重金屬在歐洲亞硝化單胞菌細(xì)胞中的富集量及富集部位變化，主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)在重金屬Zn2+、Ni

3、2+的處理下，PNR隨著潮土中Zn2+、Ni2+處理濃度的增加而極顯著地下降(P<0.01)，處理組與對(duì)照組均有差異(p<0.05)。潮土中Cd2+為低濃度(Cd2+濃度為1 mg·kg-1～10 mg·kg-1)時(shí)，潮土的PNR都較對(duì)照組顯著升高(p<0.05)；當(dāng)Cd2+濃度大于10 mg·kg-1，PNR隨著潮土中Cd2+處理濃度的增加而極顯著地降低(p<0.01)。潮土中Cu2+、Pb2+為低濃度(0 mg·kg-1～1500

4、mg·kg-1)時(shí)，潮土的PNR與對(duì)照組之間沒有差異。當(dāng)Cu2+、Pb2+為高濃度(濃度大于1500mg·kg-1)時(shí)，PNR隨著潮土中Cu2+、Pb2+處理濃度的增加而顯著地降低(p<0.05)。在Fe2+濃度(0 mg·kg-1～1500 mg·kg-1)、Hg2+(0 mg·kg-1～2000 mg·kg-1)、As2+(0mg.kg-1～20mg·kg-1)、Cr2+(0 mg·kg-1～600mg·kg-1)、Mn2+(0 m

5、g.kg-1～3000mg·kg-1)處理范圍內(nèi)，土壤PNR與對(duì)照組之間沒有顯著差異。從EC50值上看，Pb(EC50)>Cu(EC50)>Ni(EC50)>Zn(EC50)>Cd(EC50)，對(duì)土壤PNR的抑制程度為：Pb　　 (2)雖然不同重金屬處理下，菌體會(huì)因?yàn)榕囵B(yǎng)條件的不同出現(xiàn)細(xì)微的差異，但是歐洲亞硝化單胞菌的形貌均呈現(xiàn)橢圓形，并且細(xì)胞表面光滑，細(xì)胞壁沒有受到損害，細(xì)胞核區(qū)區(qū)分明顯?？瞻讓?duì)照組

6、和重金屬Zn的處理組，從超薄切片中看不出區(qū)別。但是重金屬Ca2+處理組可以明顯看出差異，即在細(xì)菌細(xì)胞體內(nèi)存在黑色聚合物。并且經(jīng)過EDX分析，對(duì)照組和重金屬Zn2+和Cd2+之間的C元素含量沒有差異，在重金屬Zn2+處理組中沒有發(fā)現(xiàn)Zn元素的存在，說明Zn元素沒有進(jìn)入到歐洲亞硝化單胞菌體內(nèi)，或者菌體內(nèi)含有的Zn的質(zhì)量太少，沒有檢測(cè)到Zn元素的存在。但是，通過對(duì)Cd2+的能譜分析可以看出，黑色聚合物中含有了大量的Cd元素，這說明Cd2+可以

7、在歐洲亞硝化單胞菌體內(nèi)聚集，形成了80～100 nm的范圍內(nèi)大小的黑色圖塊，形成了非特異性的重金屬?gòu)?fù)合物。
　　 (3)歐洲亞硝化單胞菌中含有16種氨基酸種類(天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸、精氨酸、賴氨酸)?？瞻讓?duì)照組和重金屬處理組含有的氨基酸種類一致，但是他們的含量有差異。在重金屬Cd2+(濃度為0.02g·L-1)的處理下，氨基酸天冬氨

8、酸、蘇氨酸、絲氨酸、甘氨酸、頡氨酸、酪氨酸比空白對(duì)照組明顯增加(p<0.05)，但是當(dāng)重金屬Cd2+在溶液中的濃度達(dá)到0.04 g·L-1時(shí)，這些氨基酸的含量又隨著重金屬含量的增加而降低。但是另一些氨基酸如谷氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸隨著重金屬含量的增加而明顯減低(p<0.01)。對(duì)于重金屬Zn2+來說，氨基酸變化的趨勢(shì)和重金屬Cd處理是基本一致的。當(dāng)使用低濃度Zn2+(0.05 g·L-

9、1)處理時(shí)，氨基酸天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸和亮氨酸比空白對(duì)照組明顯增加(p<0.01)，但是當(dāng)重金屬Zn的濃度達(dá)到0.5 g·L-1時(shí)，這些氨基酸會(huì)隨著重金屬含量的增加而降低(p<0.01)。但是另外一些氨基酸如甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸、精氨酸隨著重金屬含量的增加而明顯減低(p<0.01)。
　　 本研究探討了氨氧化細(xì)菌對(duì)重金屬的響應(yīng)，篩選出氨氧化菌群敏感的重金屬種類和濃度，并利用超薄