鎘污染土壤的生物修復(fù)：熱化學(xué)研究耐鎘菌株抗性機制

陳海燕

【摘要】：隨著人們生活水平的提高,生態(tài)和環(huán)境保護日趨受到重視,國家每年都投入大量人力物力進行污染土壤的修復(fù)。去除土壤污染物以修復(fù)被污染的土地,成為土壤環(huán)境研究領(lǐng)域里一個非常重要的課題。與物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)相比,在被污染土壤的修復(fù)中,生物修復(fù)所具有的安全性、經(jīng)濟性和非破壞性的優(yōu)點,使其成為最具有前途的修復(fù)技術(shù)。生物修復(fù)(Bioremediation)是針對土壤中重金屬的生物遷移而提出的一項凈化措施,是利用某些特定的動植物和微生物能夠較快地吸走或降低土壤中的重金屬污染物而達(dá)到凈化土壤的目的,使生物的生命代謝活動減少土壤環(huán)境中有毒有害物的濃度或使其完全無害化,從而使污染了的土壤環(huán)境能夠部分地或完全地恢復(fù)到原初狀態(tài)的過程。 土壤的污染是指人類活動產(chǎn)生的有害物質(zhì)進入土壤,當(dāng)其含量超過土壤本身的自凈能力,并使土壤的成分,性質(zhì)發(fā)生變異,降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,并危害人體健康的現(xiàn)象,而重金屬污染己成為當(dāng)今最重要的環(huán)境問題之一,也是最重要的土壤污染物之一。重金屬進入土壤后,對土壤微生物有一定的毒害作用。據(jù)報道,目前我國受鎘、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬公頃,約占總耕地面積的1/5;其中工業(yè)“三廢”污染耕地1000萬公頃,污水灌溉的農(nóng)田面積已達(dá)330多萬公頃。污水灌溉及廢棄物等對農(nóng)田已造成大面積的土壤污染。其中,重金屬對土壤的污染基本上是一個不可逆轉(zhuǎn)的過程,許多有機化學(xué)物質(zhì)的污染也需要較長時間才能降解,被某些重金屬污染的土壤甚至可能要100～200年時間才能夠恢復(fù),而且積累在污染土壤中的難降解污染物則很難靠稀釋作用和自凈化作用來消除。土壤污染一旦發(fā)生,往往很難恢復(fù),其他治理技術(shù)可能見效較慢。因此,生物修復(fù)重金屬污染土壤因其成本小、周期短、效果好等原因日益受到研究者們的關(guān)注。因此本實驗研究就是針對被重金屬污染的土壤進行生物修復(fù)的前期研究開展研究的,通過研究微生物代謝機制來討論耐鎘菌株的生物修復(fù)功能。 本研究選用易在生命體內(nèi)積累并會造成極大危害的重金屬鎘作為研究對象以探討其對土壤微生物的毒理學(xué)影響,是因為鎘是毒性最大的重金屬元素之一,對土壤微生物種群的生長密度,生長活性,以及生物多樣性都有著毒性危害作用。在自然界中,鎘及其化合物的存在并在其遷移與轉(zhuǎn)化過程化中會對植物、動物、微生物以及土壤酶活性產(chǎn)生不同程度的危害。鎘會減少微生物的群體,降低呼吸率;鎘污染對土壤酶活性的影響多表現(xiàn)為抑制作用,其抑制機理可能與酶分子的活性部位—巰基和含咪唑的配體等結(jié)合,形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,產(chǎn)生了與底物的競爭性抑制作用有關(guān)或者可能由于重金屬通過抑制土壤微生物的生長和繁殖,減少體內(nèi)酶的合成和分泌,最后導(dǎo)致土壤酶活性下降。而土壤微生物作為自然環(huán)境中的主要分解者,在土壤沉積物的碳、氮、磷、硫的循環(huán)、無機營養(yǎng)的再生和營養(yǎng)物的轉(zhuǎn)化等方面起著重要作用。 本研究通過現(xiàn)代微量量熱技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,可以讓我們了解鎘與土壤微生物的相互作用機理,通過分析放熱曲線、生化需氧量、溶解氧含量并結(jié)合顯微技術(shù)等生化分析對微生物代謝過程的分析,我們可以較系統(tǒng)的掌握鎘對微生物生理代謝方面產(chǎn)生的毒理學(xué)作用和影響,以及土壤微生物對鎘污染土壤的生物修復(fù)機理和抗性機制,所以選擇微量熱技術(shù)測定方法對進一步準(zhǔn)確表征細(xì)菌的性質(zhì)具有非常重要的意義,取得主要成果如下: (1)采用微量熱法對鎘與土壤微生物相互作用的毒理性影響,了解鎘對不同微生物的劑量—反應(yīng)規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,為利用所研究微生物處理鎘污染提供必要的劑量參考; (2)由于土壤中微生物群落組成復(fù)雜,數(shù)量具大,無法了解土壤中常見單一菌種的代謝活動及其不同菌種共存時的相互作用機制,所以本研究旨在比較兩種不同微生物(革蘭氏陽性菌:枯草芽孢桿菌,真菌:假絲酵母菌)及其在混合條件下的熱譜圖的基礎(chǔ)上,初步研究兩種單一微生物在混合條件下的相互作用情況,為研究不同微生物間的相互作用提供可行的實驗方案; (3)采用多渠道研究微生物方法,利用生物傳感器研究在開放環(huán)境下分析純鎘污染物對兩種土壤菌株的毒害作用及其代謝機制,討論在好氧狀態(tài)下土壤微生物對鎘污染物的抗性機制,同時結(jié)合pH值測定分析以及紫外分光技術(shù)進一步對其機理進行研究,為鎘污染土壤抗性機制研究提供可靠數(shù)據(jù); (4)此次研究涉及到環(huán)境毒理學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)、土壤學(xué)與生物熱化學(xué)等方面的原理和理論,并且將形成環(huán)境毒理學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)、土壤學(xué)與熱力學(xué)的交叉滲透研究微生物對環(huán)境作用的一條新的途徑; (5)利用顯微技術(shù)和生物傳感技術(shù)對重金屬與土壤中的耐鎘菌株的相互反應(yīng)機制做同步實驗監(jiān)測,為多渠道研究耐鎘菌株對重金屬鎘的抗性機制提供技術(shù)和方法 (6)以微量熱學(xué)為基礎(chǔ),結(jié)合HPLC,ICP-MS,GC-MS,LC-MS等光譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析技術(shù)對微生物代謝過程的監(jiān)測,研究被重金屬鎘所污染的土壤中耐鎘菌株的抗性機制,為各學(xué)科的交叉融合提供新的技術(shù)支持,并在探討微生物在重金屬的地球化學(xué)循環(huán)中的作用機制的基礎(chǔ)上,為我國大片重金屬污染土地的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】：枯草桿菌假絲酵母菌微量熱技術(shù)生物傳感器抗性機制
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士