锰矿废渣-苔藓植物-水系统中重金属生物地球化学特性及影响机制

【摘要】：苔藓植物叶片仅由一层细胞组成、无角质层、比表面积大,具有强大的吸水和保水功能,苔藓植物具有很好的抗逆性,是重金属元素的有效积累者,苔藓植物在水土保持与矿区生态恢复方面起着先锋作用。目前,关于苔藓植物的研究多集中在西北荒漠地区、喀斯特石漠化区域,矿区苔藓植物的研究主要集中在种类多样性及重金属监测等方面。贵州省锰矿资源丰富,矿产开采后的固体废渣堆放破坏了周边的生态环境,对锰矿废渣区苔藓植物种类进行调查,并研究锰矿废渣-苔藓植物-水系统中重金属生物地球化学特性及影响机制极为重要,可为苔藓植物作为矿区生态修复的先锋植物提供理论基础。本研究以贵州东部典型锰矿废渣堆场为研究对象,对锰矿开采废渣(锰矿开采过程中产生的一系列废渣)和电解锰渣(电解提取金属锰后产生的滤渣)两种类型废渣堆场的苔藓植物进行了种类调查,在此基础上,系统研究了锰矿废渣-苔藓植物系统中重金属累积特征、苔藓植物生长下锰矿废渣-水系统中重金属迁移规律,利用SEM-EDS和TEM-EDS技术分析了重金属在苔藓植物细胞的微区分布,同时采用高通量测序技术分析研究了苔藓植物对锰矿废渣中微生物群落结构的影响,以上多项系统研究旨在深入揭示锰矿废渣-苔藓植物-水系统中重金属生物地球化学特性及影响机制,为苔藓植物作为矿区植被生态恢复的先锋植物提供科学依据。本研究取得的主要研究结果如下:(1)在锰矿废渣堆场上有优势苔藓植物生长,锰矿开采废渣堆场共有苔藓植物32种,电解锰渣苔藓植物21种。丛藓科是两种废渣堆场上的优势科,在锰矿开采废渣区主要的优势苔藓植物为黄曲柄藓、南亚丝瓜藓、硬叶净口藓、红蒴真藓,在电解锰渣区,小口葫芦藓、南亚丝瓜藓、硬叶净口藓、红蒴真藓为优势苔藓植物。(2)锰矿废渣区苔藓植物对Mn、Cd有较强的累积能力,在锰矿开采废渣区苔藓植物Mn含量高达6047.70 mg·kg~(-1),其次是Cd,其最高含量为5.78 mg·kg~(-1);在电解锰渣区苔藓植物Mn含量最大值是6947.43 mg·kg~(-1),Cd最高含量为3.22mg·kg~(-1)。两种废渣上的苔藓植物对Cd的富集系数最大分别是5.35、2.05,对Cd表现出较强的富集能力。锰矿废渣区苔藓植物Mn、Cr、Cu、Pb含量与生长基质中含量呈显著正相关,相关系数分别是0.834、0.947、0.797、0.968。(3)在锰矿开采废渣区,苔藓植物降低了废渣中弱酸溶解态Mn、Cd的比例,比对照裸地分别减少了5.20%、1.80%;在电解锰渣区,苔藓植物降低了残渣态Mn、Cd、Pb、Zn的比例,同时增加了弱酸溶解态Mn、Cd、Zn的比例,比对照裸地分别增加了18.81%、9.05%、4.51%。苔藓植物有效地降低了渗滤水中重金属浓度,在锰矿开采废渣区,渗滤水中Mn浓度降低了98.92%;在电解锰渣区,渗滤水中Cd浓度降低了86.45%,其次是Mn,浓度降低了61.39%。苔藓植物通过对Mn、Cd的吸收作用降低了渗滤液中的浓度。(4)在废渣重金属胁迫下,苔藓植物通过增加细胞壁的厚度,提高了对重金属的沉积作用。苔藓植物中Mn含量最高,其中叶片表面吸附最多,Mn原子百分比高达3.83%,其次是叶绿体、细胞壁,原子百分比最高分别是0.12%、0.11%;Cd主要分布在液泡中,原子百分比高达0.82%,其次是细胞壁,原子百分比是0.63%;Pb和Cu主要沉积在苔藓植物细胞壁上,原子百分比分别是5.74%、7.22%。同时,苔藓植物通过提高自身的抗氧化酶系活性、增加体内金属硫蛋白的含量,从而降低重金属对生物体的损害。(5)苔藓植物显著增加了废渣中有效养分的含量,在锰矿开采废渣区,碱解氮(AN)的含量提高了88.00%～540.00%,速效磷(AP)的含量增加了82.00%～133.00%,速效钾(AK)含量增加了49.97%～207.00%;在电解锰渣区,速效磷的含量增加了70.94%。在电解锰渣区苔藓植物显著升高了废渣p H值,提高了20.19%～51.08%。同时,苔藓植物明显提高了锰矿废渣区细菌群落结构多样性,在锰矿开采废渣区,细菌群落的Shannon指数增加了1.07%～9.27%,Chao指数增加了29.28%～53.22%;在电解锰渣区,Shannon指数增加了73.28%～112.21%,Chao指数增加了20～21倍。苔藓植物为废渣区黑麦草种子的萌发和生长发育创造了良好的条件,促进了黑麦草对废渣中重金属的吸收和转运能力,苔藓植物可作为锰矿废渣区生态修复的先锋植物。