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电子废物拆解区水稻田的重金属污染、生态毒性及其微生物修复研究

张俊会  
【摘要】:电子废弃物的不当处理会给当地环境带来重金属和持久性有机物的污染。本文以浙江台州电子废物拆解区内的水稻田作研究对象,调查了水稻田的重金属污染状况,选取污染最严重的区域进行了生态毒性、土壤酶学和微生物学调查,并对污染土壤进行了初步的微生物修复尝试,本研究所获得的主要结论如下: 1.调查了9个有电子废物拆解历史的自然村,其中的9个有电子废物拆解历史的自然村中有7个自然村的水稻田土壤受到了不同程度的污染,污染土壤内梅罗综合指数介于0.72和15.53之间,其中4个村庄的土壤处于警戒级,2个处于中度污染,1个为严重污染。水稻田的污染以G村最严重,其Cd、Cu和Zn浓度分别为6.37 mg·kg~(-1)、256.36 mg·kg~(-1)和209.85 mg·kg~(-1)。污染主要表现为Cd、Cu和Zn的复合污染,且Cd和Cu含量之间呈极显著相关。形态分析表明与Cu、Zn和Pb相比,元素Cd的稳定性最低,在水稻田中主要以非残渣态存在(32.53%~63.40%),其次为Cu,非残渣态介于25.86%~50.24%,而元素Zn的稳定则相对较高,主要以残渣态存在(69.51~75.85%)。与对照土壤相比,被污染的土壤较具有更高比例的可交换态金属组分。 2.对采集的部分水稻田土样进行了生态毒理学评价。结果表明,被污染的土壤对测试物种具有较高的生态毒性,主要表现为经土壤浸出液处理的水稻发芽率降低、根长缩短;经土壤浸出液处理的蚕豆根尖细胞微核率增高,污染土壤F和G的微核率(‰)分别较对照土壤高1.7倍和2.6倍;污染土壤的水稻株高矮、千粒重低。千粒重与水稻田内梅罗综合指数呈极显著负相关,表明土壤重金属复合污染是导致水稻减产的主要原因。 3.在污染调查和毒理学评价的基础上选择重金属污染最严重的G村水稻田为研究对象,调查了淹水稻田在水稻不同生长时期的土壤酶活性变化,分析了土壤酶活性与土壤各形态重金属含量间的相关性。回归分析表明,土壤中重金属的积累仅仅是土壤酶活性下降的部分原因。硫酸盐还原酶对土壤重金属污染最敏感,因而可作为评判水稻田土壤质量的敏感生物学指标;硫酸盐还原酶、酸性磷酸酶、脲酶对土壤中重金属的胁迫敏感度强于过氧化氢酶和过氧化物酶。硫酸盐还原酶的活性随土壤中可交换态Zn和残渣态Cd含量的增加而下降,酸性磷酸酶活性随土壤中碳酸盐结合态Cd的积累而下降,脲酶活性随残渣态Cd的积累而下降。 4.同时调查了淹水稻田在水稻不同生长时期中的主要微生物生理群丰度的变化,分析了各生理群对土壤重金属形态变化的影响。研究结果表明,水稻土的重金属形态基本保持稳定,但土壤微生物可使其形态产生小幅度波动,尤其是有机结合态Zn和Fe-Mn结合态Cd,前者随土壤中细菌丰度的增加而增加,而后者则随细菌和硫氧化细菌丰度的增加而减少,但微生物对其他形态金属的影响程度较小。 5.从电子废物污染水稻土中分离了多株多重重金属抗性细菌,检测了其中8株对尾矿沙重金属移动性的影响。研究结果说明抗性细菌对尾矿沙重金属主要表现为活化效应。这主要体现在降低了铁锰结合态金属的比例,同时增加了可交换态、碳酸盐结合态和有机结合态金属的比例。 6.研究了土著微生物强化对淹水稻填土壤重金属移动性的影响。结果表明产酸真菌对土壤中的Pb有活化作用,但对Cu、Zn和Cd则表现为固定作用;重金属抗性细菌对Cd的活化作用非常显著,但对其他金属则表现为固定作用;硫酸盐还原菌和高铁还原菌均可使土壤溶液中的有效Cu、Pb、Cd和Zn含量下降,从而表现为固定作用。 7.对一株高抗Cd细菌的抗Cd机制进行了初步研究。该细菌隶属于Burkholderia fungorum,其在弱酸培养基中的最高Cd耐受浓度高达10 mmol·L~(-1)。该细菌可在Cd浓度为2 mmol·L~(-1)的培养基中正常生长,且培养基中有效态Cd的浓度随细菌的生长而持续下降。透射电镜和能谱分析表明该菌株通过细胞壁和胞外多糖将Cd阻挡在细胞外。FTIR分析表明,EPS上的多糖和蛋白质是Cd的主要结合位点。XRD分析表明EPS可以和Cd形成稳定的晶体结构。


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