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微生物诱导碳酸盐沉淀对土壤团聚体及微生物群落的影响

李亚飞  
【摘要】:随着矿产资源的大量开采,矿区周边尾矿的堆积以及废液的泄漏,导致尾矿中重金属对周边土壤环境造成严重的破坏,也给粮食安全带来了严重的威胁。目前土壤中重金属污染的修复技术主要以物理和化学的为主,但其有工程量大、产生二次污染等缺点。而生物修复因具有的经济与环保的优点,逐渐成为主流的修复技术。本论文通过实验室模拟试验,采用微生物诱导碳酸盐沉淀技术(Microbially induced calcite precipitation,MICP)对土壤中的Pb进行稳定化修复,利用筛分的方法及CT技术研究MICP技术对土壤物理结构的影响,结合现代分子生物学技术对微生物群落进行研究。综合评价MICP技术对土壤重金属的稳定化效果及对土壤生态环境的影响。(1)通过分析MICP对Pb的稳定化效果,表明MICP可以降低土壤中Pb有效态的含量。土壤中Pb的浸出率最高下降76.34%,重金属Pb有效态的比例下降了41.64%,Pb的碳酸盐结合态的含量最高升高13.24%。通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析,可以观察到土壤中Pb与碳酸钙共沉淀附着在土壤颗粒表面而被固定下来。同时MICP技术对土壤pH、电导率及有机物的含量等基础理化性质有很大的影响。显著提高了土壤电导率及各种营养物质的含量。(2)采用筛分法对土壤粒径组成及水稳定性进行分析,经过MICP技术修复后的土壤的粒径增大,大团聚体含量升高;且生物修复后的土壤水稳定性更强,土壤团聚体的破碎率更低。因此,MICP修复技术在稳定重金属的同时能够改善土壤物理结构,增强土壤团聚体的机械稳定性及水稳定性,从而提高土壤抵抗风蚀和水蚀的能力,使得重金属在土壤中的稳定性更强。通过CT分析表明,MICP生物修复显著提高了团聚体总孔隙度、孔隙总数,尤其是大孔隙所占孔隙度。其中总孔隙度分别较对照组处理提高了42.07%、73.78%和50.61%;土壤孔隙数量分别较对照组处理提高11.13%、11.13%和31.38%。而大孔隙的增多,增加了土壤通气性,提高导水率,使得土壤结构也更好。(3)采用16S rRNA对修复前后土壤微生物群落进行分析,研究发现MICP技术修复土壤重金属污染会对土著微生物群落造成影响。由于特异性营养元素的加入使得土壤微生物多样性及丰度降低。同时通过在门水平和属水平分析,生物处理处理会改变土壤微生物群落的组成,且不同处理方式的土壤中主要的优势菌群有所不同;通过PICRUSt功能预测分析。土壤微生物群落的代谢功能非常丰富,功能组成上没有变化,而生物修复后功能丰度明显降低。采用MICP生物修复后土壤微生物群落的功能基因中占主导作用的为碳水化合物的运输和代谢、无机离子运输与代谢、转录等;因此MICP生物修复虽然对土壤环境中微生物群落的组成及功能有一定的影响,但不会影响土壤微生物整体生态作用。


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