多环芳烃在根际界面的环境行为及微生物响应

【摘要】：植物修复技术是目前最有前景的土壤有机污染修复技术,为土壤学、植物学、环境科学及环境微生物学的重要研究前沿之一。研究有机污染物在植物根际的环境行为和微生物学机制,将为发展土壤有机污染的植物根际高效修复技术提供理论依据。本论文以持久性有机污染物多环芳烃为研究目标,重点聚焦多环芳烃在根际修复过程中的环境行为,围绕多环芳烃在根际微域的分配规律、消减动态、空间变异及其微生物响应,综合应用整合分析、定量构效关系模型、共溶剂模型、有机溶剂分级提取、等价毒性浓度、DGGE和qPCR等技术,开展了多环芳烃在植物根际的环境行为及微生物响应的研究,取得以下主要成果： (1)利用整合分析对所有2008年之前发表的关于植物根际对多环芳烃消减影响的研究结果进行定量研究,明确了植物根际效应对多环芳烃消减的整体影响。结果表明植物根际效应对多环芳烃的消减有显著的促进作用,这与植物根际中多环芳烃降解菌的数量显著高于非根际土壤的结果一致,但多环芳烃对植物生长具有显著的抑制效应。进一步利用整合分析得到的16种多环芳烃的累积效应值和分子结构参数构建了定量构效关系模型,可以有效预测植物对多环芳烃消减的根际效应。整合分析结果和定量构效关系模型为通过植物根际修复多环芳烃污染提供了理论支撑,对发展多环芳烃植物根际修复技术具有重要的指导作用。 (2)基于共溶剂模型准确获取多环芳烃在根际空间主要组分上的吸附平衡分配系数,解析了多环芳烃在根际界面的分配机制。对不同共溶剂模型的稳健性和预测能力进行了评价,结果表明各种共溶剂模型中贝叶斯模型的预测能力最为稳健,是预测多环芳烃在生物吸附材料上的分配平衡系数最有效的共溶剂模型。植物根际中主要组分对多环芳烃的吸附能力为真菌植物土壤,但是土壤中植物根系和真菌菌丝生物量远小于土壤,因此根际修复过程中通过植物根系和菌根吸附多环芳烃对修复的贡献率小于1%。水稻根表铁膜的形成抑制了植物根系对多环芳烃的吸附,抑制效应随多环芳烃疏水性增强而增大,去除根表铁膜后则根系吸附能力增强。基于双溶剂模型解析多环芳烃在根际空间的分配规律,明确了植物根际组分对吸附、固定多环芳烃的贡献,是进一步研究多环芳烃根际修复机理的重要前提和基础。 (3)采用多层隔网根箱构建距离水稻根系1-5mm根际微域的空间梯度,分别采集第0、15、30、45天根际土壤样品构建多环芳烃消减的时间梯度。通过有机溶剂分级提取方法表征不同有效性多环芳烃在根际的时空变异,发现用于表征土壤中生物有效性多环芳烃的丁醇提取组分的变化反映了多环芳烃在根际消减动态,表明土壤中多环芳烃的生物有效性是影响多环芳烃消减的最关键因素。在水稻根际泌氧、降解微生物活性、多环芳烃生物有效性、根际养分等因素共同作用下,不同污染浓度土壤中多环芳烃消减作用在水稻根际呈不同空间特征。随着多环芳烃污染浓度的增大,根际土壤中多环芳烃消减率最大的位置距离根系,由于植物根际过程对高毒性多环芳烃消减的促进作用更加显著,因此与水稻根际多环芳烃总浓度消减率相比,根际中多环芳烃等价毒性浓度消减率更高。采用等价毒性浓度评价植物对多环芳烃污染土壤的修复作用将污染修复直接与人类健康风险联系起来,对正确评价植物根际修复技术的功能具有重要意义。 (4)借助DGGE和qPCR方法表征微生物群落结构和多环芳烃降解细菌对多环芳烃消减过程的响应。添加多环芳烃后,距离水稻根系表面约3-4mm位置的微生物生长受到促进,高于距离根系更近的根际空间。虽然近根系的根际空间中根际分泌物含量更高能够为微生物提供碳源促进微生物生长,但水稻根系释放的氧气会抑制厌氧微生物活性,因此水稻根际效应对微生物的促进是根际空间氧和根际分泌物影响共同作用的结果。多环芳烃降解细菌则在距离根系1-2mm的根际空间增多,且与多环芳烃在根际的消减规律一致。多环芳烃降解细菌为寡营养细菌,而双加氧酶催化多环芳烃氧化为好氧氧化过程,多环芳烃降解细菌在水稻根际界面空间中氧气含量高但养分亏缺的区域会受到促进,与其他微生物处于不同的生态位,因此多环芳烃降解细菌在根际能够通过生态位错位竞争策略避开与其他细菌的竞争。综合植物根际的多环芳烃消减规律与微生物响应动态,阐明了多环芳烃的植物根际修复过程及其微生物机制。