解磷菌修复土壤铅污染效应优化及机理探索

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由于煤、石油、天然气的大量开采,大量重金属伴随迁移出来,进而随着酸性水体污染矿区周围土壤,在重金属毒性表中,铅排在常见的具有毒性元素的第3位,是一种植物非必须的污染元素,对植物、动物、微生物以及人体健康都能产生毒害作用。土壤中的重金属可以通过食物链进入人体对人类健康造成严重的威胁。本研究采用从铅锌选矿厂污染土壤中分离出两株具有高效解磷能力且耐铅解磷菌株,通过响应面对解磷菌固定铅污染条件进行优化设计,最后采用用盆栽实验检测解磷菌修复铅污染的效应。对筛选出两株好氧型高效解磷菌ID-a和3-5-1-1分析研究,菌株ID-a解无机磷能力为1020mg/L,解有机磷能力为140mg/L,解植酸钙能力为940mg/L。3-5-1-1解无机磷能力为1030mg/L,解有机磷能力为135mg/L,解植酸钙能力为900mg/L; ID-a与3-5-1-1在铅浓度为800mg/L时长势良好,可以耐受较高浓度的铅;通过对其生理生化特性的研究表明,这两株菌均为革兰氏阴性菌;从两株菌的生长曲线看到其对数生长期是10-20h,在20-80h是稳定期,80h之后进入衰亡期;通过对两株供试菌株进行分泌吲哚乙酸能力和铁载体测试,结果表明ID-a分泌吲哚乙酸能力为45.07μg/mL,铁载体能力为0.58,3-5-1-1分泌吲哚乙酸能力为23.92μg/mL,铁载体能力为0.64;通过16S rRNA序列分析知:菌株3-5-1-1为弗村假单胞菌(Pseudomonas vranovensis),菌株ID-a为成团肠杆菌(Enterobacter agglomerans)。利用响应面对微生物固定铅效率条件及影响因素进行优化研究,选定五个影响因素分别为水分、温度、氯离子含量、TOC、pH。先分别对这五个因素进行单因素实验,找到对响应值的影响区间,在此基础上,运用Box-Behnken设计5因素3水平共46个试验点的试验方案,运用响应面法拟合了影响解磷菌固定铅效率的二次多项数学模型。如下:Y=52.92-0.12A+0.75B-2.83C+0.32D+6.89E-6.37AB-1.67AC+1.66AD+0.18AE-1.80BC+1.17BD-2.10BE-4.61CD-7.66CE+3.43DE-10.54A2-10.12B2-17.45C2-18.00D2+5.66E2。通过方差分析得到:在筛选的五个因素即温度、水分、总有机碳、氯离子含量和pH对固定效率的影响显著。通过响应面分析,得到铅污染土壤固定效率最优方案:水分为5.33g/kg,温度为22.14℃,TOC含量为803.91mg/kg,氯离子含量为3610.93mg/kg, pH为6时,固定效率达到最大值为67.4588%。贫栽实验结果表明,随着施加的重金属铅浓度的增加,青菜生长的情况受到明显的抑制作用,并且青菜植株的生物量整体表现出先增加后减少再升高最后缓慢降低的规律;施加解磷菌菌剂和磷肥均可以促进青菜植株的生长。即A组(施加菌剂ID-a)>B组(施加菌剂3-5-1-1)>C组(施加磷肥)>CK(空白对照组);植株地下部分含铅含量随着土壤中铅浓度的升高而呈现先升高后降低最后缓慢上升;植株地上部分铅含量随着土壤中铅浓度的升高标线出和地下部分相同的趋势,即先升高后下降后升高。但是和地下部分不同的是这四组处理组表现出相反的大小顺序,即铅含量大小为CK组>C组>B组>A组。解磷菌可以使土壤中的磷酸根释放出来,被释放出来的磷酸根与土壤中的Pb2+结合生成磷酸铅沉淀,从而固定土壤中的铅,同时,解磷菌还可以产生细胞分泌物如:IAA、铁载体等,这些物质在一定程度上促进了植物的生长发育。综上所述,解磷菌对铅污染土壤修复不仅使土壤中游离态的铅得到了固定,从而有效抑制了植物对重金属铅的吸收,而且还可以促进植物对土壤环境中营养物质的吸收,达到了边生产边修复的目的,而且还提高了农作物的产量和质量,具有良好的生态效益和经济效益。
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