銅脅迫下土壤產(chǎn)電微生物與回復(fù)力的研究.pdf

1、土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性是指生態(tài)系統(tǒng)對抗人為干擾、外界環(huán)境變化和保持系統(tǒng)平衡的能力，包含了抵抗力和回復(fù)力兩個(gè)方面。土壤抵抗力和回復(fù)力是反映土壤生態(tài)系統(tǒng)脆弱性重要依據(jù)，也是反映土壤健康和質(zhì)量的重要指標(biāo)。在當(dāng)今人類活動對土壤環(huán)境產(chǎn)生重大影響的情況下，全面理解抵抗力和回復(fù)力的主要影響因子對于解釋生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的內(nèi)在機(jī)制具有重要意義，同時(shí)也有助于人們更好地去應(yīng)對土壤退化與污染等環(huán)境問題。可能影響土壤抵抗力和回復(fù)力的因素包括土壤質(zhì)地（粘粒含量）、有機(jī)質(zhì)

2、、pH以及微生物多樣性等。其中多樣性是研究最多、最富爭議的一個(gè)因素，土壤的理化性質(zhì)目前除了土壤有機(jī)質(zhì)以外，其他理化性質(zhì)對于抵抗力和回復(fù)力的影響很少有研究報(bào)道?？傮w看來，目前對土壤抵抗力和回復(fù)力及其影響因素的研究尚不透徹，影響抵抗力和回復(fù)力的關(guān)鍵因素尚不清楚。
　　本研究通過采集24種不同類型、理化性質(zhì)和微生物多樣性的土壤，施加銅脅迫，選取底物誘導(dǎo)呼吸強(qiáng)度這一指標(biāo)來表征抵抗力和回復(fù)力，研究土壤的理化性質(zhì)和微生物多樣性對土壤抵抗力和回

3、復(fù)力的影響，主要結(jié)果如下:對于銅脅迫下的土壤，其抵抗力和回復(fù)力的關(guān)鍵影響因素分別是土壤pH值和沙粒含量。土壤抵抗力(Rt)與土壤pH值的關(guān)系可用指數(shù)回歸模型來描述，方程式為Rt=1.0673-1.1335e-02224pH;土壤回復(fù)力(Rl)與其沙粒含量(S)的關(guān)系可用多項(xiàng)式回歸模型來表述，方程式為Rl=-3.1493S2+1.8114S+0.7116。土壤微生物群落多樣性、豐度與土壤的抵抗力和回復(fù)力不存在顯著相關(guān)關(guān)系。此外，影響土壤的

4、抵抗力和回復(fù)力的關(guān)鍵因素可能隨脅迫類型改變而改變，我們的研究結(jié)果可能只適用于重金屬脅迫下這種情況。
　　本研究中土壤回復(fù)力指土壤微生物功能的回復(fù)力，其檢測選擇在若干時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行，無法做到連續(xù)在線檢測，不能對土壤回復(fù)力的變化過程進(jìn)行完整的監(jiān)測，也不能及時(shí)通過功能的異常變化指示土壤污染或脅迫事件的發(fā)生。本研究采用微生物燃料電池(MFCs)技術(shù)，將添加銅濃度從50mg kg-1至400mg kg-1的受銅脅迫土壤作為MFCs的陽極池，通過

5、監(jiān)測土壤的產(chǎn)電電壓實(shí)時(shí)連續(xù)來反映微生物功能的回復(fù)情況。主要結(jié)果如下:銅脅迫下土壤產(chǎn)電信號的回復(fù)特征與傳統(tǒng)微生物功能指標(biāo)底物誘導(dǎo)呼吸強(qiáng)度的回復(fù)特征一致，表明土壤電信號可能能夠定性地表征土壤回復(fù)力。土壤MFCs啟動時(shí)間、產(chǎn)電電量、峰值電壓分別與銅濃度之間存在著顯著相關(guān)關(guān)系(n=3，P＜0.01)，隨著土壤銅濃度的增加，土壤MFCs啟動時(shí)間顯著增加，產(chǎn)電電量和峰值電壓顯著減少(P＜0.01)。在受脅迫土壤回復(fù)過程中，土壤溶液中自由銅離子含量隨

6、時(shí)間延長持續(xù)降低，且銅脅迫土壤中抗銅基因copA基因數(shù)量占總細(xì)菌16S rRNA基因數(shù)量的比值均高于對照，這些都可以作為產(chǎn)電信號和土壤微生物功能回復(fù)的證據(jù)。
　　另外，本研究從富集的MFCs陽極碳?xì)稚锬ど戏蛛x得到產(chǎn)電純菌株，通過形態(tài)學(xué)觀察、生理生化特征實(shí)驗(yàn)及16S rRNA基因測序分析確定其種屬，并將其接種MFCs中評價(jià)其產(chǎn)電性能、電化學(xué)活性。其主要結(jié)果如下:
　　(1)從銅濃度為100mg kg-1雙室MFCs陽極碳?xì)稚?/p>

7、物膜上分離得到2株耐受銅、具有鐵還原能力、桿狀、革蘭氏陽性產(chǎn)電菌R3、R6，經(jīng)鑒定確定菌株R3和R6屬于梭菌屬(Clostridium)，其中菌株R6確認(rèn)為生孢梭菌(Clostridium sporogenes)。菌株R3和R6最適pH值均為7.0，最佳生長溫度均為30℃，在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％～1.5％的環(huán)境中增殖良好。
　　(2)菌株R3和R6接種到MFCs中可以獲得的最大功率密度分別為96.3mW m-2、97.6mW