耐锑菌的筛选及其对水稻吸收与积累锑的影响研究

论文摘要

随着有毒类金属锑（Sb）在现代社会越来越广泛的应用,锑矿产量急剧上升并已成为全球第九大矿产。在锑的应用和锑矿的开采等过程中,大量的锑不可避免地进入环境介质引起严重的环境锑污染。中国的锑矿居世界之首,我国共有114个大型锑矿,它们主要分布在华南和华东南地区,这些矿区的土壤、水体和植物已经面临着极其严重的锑污染问题。在我国的主要锑矿区,人们以水稻为粮食作物,近年的研究发现水稻可积累大量的锑,故其通过稻米可对当地居民造成巨大的健康风险。因此,锑矿区水稻对锑的吸收和转移等相关研究工作具有非常重要的意义。对于重金属环境中生长的水稻而言,水稻根系的某些耐重金属益生菌可降低重金属的生物有效性,从而降低水稻对重金属的吸收与积累。然而目前人们对于水稻根系耐锑菌的研究相对较少,且学术界尚未对耐锑菌降低水稻根系锑的生物活性展开相关研究。基于此,本文在研究典型锑矿区土壤锑及其他重金属污染的基础上,对该区土壤中可耐受锑的细菌群落结构特征进行了分析,并对土壤中的耐锑菌进行了筛选和鉴定,同时本文选用能在水稻根系定殖的耐锑菌（B1）接种于水培的水稻根系,研究其对水稻根表铁膜、水稻吸收、积累与转移锑的影响。但本研究尚未开展耐锑菌对自然生长条件下水稻吸收与积累锑的影响。本研究的结论有助于理解锑污染环境中水稻根系微生物和铁膜的相互作用,以及其对水稻吸收和转移锑的影响,且本研究的结论可为利用根系微生物修复水稻锑污染提供理论依据,在控制锑通过水稻产生的人类健康风险方面具有极其现实的意义。本文主要研究结果如下:1、典型锑矿区—湖南省锡矿山土壤中锑的平均浓度356.58 mg kg-1,为湖南省土壤背景值的119倍,此外,镉、锌、铜的平均浓度分别为9.98 mg kg-1、486.42 mg kg-1和53.13 mg kg-1,为它们各自土壤背景值的117、5.17和3.79倍。皮尔森相关性和PCA聚类分析结果表明,锑矿开采和冶炼过程除产生了严重的锑污染之外,同时也产生了伴生元素砷的土壤污染;而锌矿的开采也同时引起了锌和镉污染。基于研究区包括锑在内的多重金属污染,整个矿区的综合污染等级为极度重污染级。2、在锑矿区受锑及其他重金属极度重污染土壤中,耐锑菌OTU数为955～1925个（每2 g）,平均为1518个,Shannon指数范围为4.79～6.04,即,该矿区污染土壤中的细菌在长期污染过程中通过适应性变异,维持了较好的微生物多样性;在细菌种的分类等级上,本研究发现90%以上的细菌因和数据库中已知序列相似度较低、同源关系较远而未能被鉴定,这意味着锡矿山矿区土壤中尚有大量可耐受极高锑和其他重金属浓度的细菌种尚未被发掘,这些微生物是当前生态修复重金属污染环境非常宝贵的生物资源。3、本研究以锑污染极度严重的锑矿区土壤为筛菌样品,在LB培养基上筛选所得的3株耐受锑细菌中（B1、B2和B2）,B1菌可归属于苍白杆菌属（Ochrobactrum.sp）、B2和B3则均归属于芽孢杆菌属（Bacillus.sp）;此外,B1和B2显示出对三价锑超强的耐受能力,这两种菌的锑MIC值均>20 mM,而B3对三价锑的MIC值小于1 mM。同时,本研究还发现B1可通过将三价锑转化成难溶沉淀—稳定且无毒的Sb2O3晶体,从而达成对高毒三价锑的解毒目的;但B2对高毒三价锑的解毒机制尚不明确。4、当锑（三价/五价锑）从污染源进入持续淹水的农田土壤中,短时间内其绝大部分可被土壤吸附而固定,但通过一段时间的两相分配平衡之后,依然有小部分三价/五价锑残留在土壤溶液中。5、水稻的整个生长周期各部位积累锑的顺序为:根表铁膜?根部?茎部>壳≥穗>稻米;在三价锑处理中,根表铁膜的形成量和水稻根吸收的锑在分蘖期至拔节期大幅地增加,在接下来的生长阶段略有下降,但是在五价锑处理中,铁膜形成量和根对锑的吸收量在整个生长周期呈持续增长的趋势;虽然水稻根部锑随水稻生长的积累趋势在三价锑和五价锑处理中完全不同,但水稻茎、穗和稻米中的锑随水稻生长的变化趋势却是一致的。6、虽然三价锑更容易被水稻根吸收,但在三价锑处理中,由于水稻茎、穗和稻壳积累了高于五价锑处理的锑,故三价锑处理中稻米锑的含量和五价锑处理中的稻米锑含量相近;此外,随着土壤中锑处理水平的增加,锑在土壤—稻米中的转移系数急剧下降,但是当土壤中的锑含量高于50 mg kg-1时,由土壤转移至稻米中的锑可引起人类健康风险,故当农田中锑含量高于50 mg kg-1时,适当的风险管控措施显得尤为必要。7、可定殖于水稻根系的耐锑菌（B1）可提高三价/五价锑对水稻（中嘉早17号）的EC50值;耐锑菌促进了三价锑处理中菱铁矿组分的形成,但其中水稻根表铁膜形成总量未增加,而该耐锑菌提高了五价锑处理中水稻根表铁膜的形成总量;耐锑菌一定程度上降低了水稻根表铁膜中三价锑被氧化成五价锑的比例;耐锑菌小幅降低了水稻根对三价/五价锑的吸收,且增加了水稻根中三价锑的含量,同时大幅降低了三价/五价锑从水稻根—茎的转移。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章文献综述

1.1 研究背景

1.1.1 锑的简介

1.1.2 锑的来源及环境锑污染

1.1.3 土壤中的锑及耐锑菌

1.1.4 植物中积累的锑

1.1.5 锑通过食物链造成的人类健康威胁

1.2 国内外研究进展

1.2.1 水稻吸收和积累锑的研究进展

1.2.2 水稻根表铁膜对水稻吸收锑的影响

1.2.3 环境中的耐重金属细菌及耐锑菌

1.2.4 耐重金属细菌在固定水稻根际重金属的研究

1.2.5 水稻根系细菌对根表铁膜的影响

1.3 研究研究内容与研究目标

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究目标

1.4 论文的技术路线

第2章某锑矿区土壤锑和其他重金属污染及耐锑菌群落结构特征

2.1 材料与方法

2.1.1 研究区域和样品采集

2.1.2 土壤样品的消解和化学含量测定

2.1.3 土壤耐锑菌DNA提取及分析

2.1.4 数据处理

2.2 结果与讨论

2.2.1 矿区土壤中锑及其他重金属的浓度

2.2.2 矿区土壤中锑及其他重金属的污染和生态风险等级

2.2.3 矿区锑污染土壤中的耐锑菌多样性

2.2.4 矿区土壤中耐锑菌的群落结构特征

2.3 小结

第3章锑污染土壤中耐锑菌的筛选及研究

3.1 材料与方法

3.1.1 耐锑菌的筛选和鉴定

3.1.2 .耐锑菌Sb的最小抑制浓度（MICs）测定

3.1.3 耐锑菌的形态研究

3.1.4 耐锑菌对溶液中锑的影响

3.1.5 耐锑菌B1对锑的转化研究

3.2 结果与讨论

3.2.1 耐锑菌的筛选与鉴定

3.2.2 耐锑菌的生长曲线及锑的MICs

3.2.3 耐锑菌对溶液中三价锑的去除

3.2.4 B1对三价锑的转化

3.3 小结

第4章锑在水稻中的积累及转移特征

4.1 材料与方法

4.1.1 盆栽实验设置

4.1.2 外源添加的三价/五价锑在土壤中的平衡动态模拟实验

4.1.3 盆栽实验设置

4.1.4 水稻根表铁膜的提取

4.1.5 水稻各部位的消解处理

4.1.6 化学含量的测定

4.1.7 数据分析

4.2 结果与讨论

4.2.1 平衡模拟实验土壤溶液中三价/五价锑的浓度变化动态

4.2.2 水稻不同生长阶段根表铁膜的形成及其吸附的锑

4.2.3 不同生长阶段水稻各部位的锑浓度变化

4.2.4 锑在土壤-稻米中的转移能力及产生的人类健康风险

4.3 小结

第5章耐锑菌作用下水稻秧苗对锑的吸收与转移研究

5.1 材料与方法

5.1.1 耐锑菌的准备

5.1.2 耐锑菌影响下锑的水稻萌发毒性实验

5.1.3 水稻秧苗的培养及其暴露于锑的设置

5.1.4 水稻根表铁膜的SEM和 XPS分析

5.1.5 水稻植株及根表铁膜的含量分析

5.1.6 数据的统计

5.2 结果与讨论

5.2.1 耐锑菌对锑水稻萌发毒性的影响

5.2.2 耐锑菌对水稻根表铁膜及其吸附的影响

5.2.3 耐锑菌影响下水稻对三价锑和五价锑的吸收和转移

5.3 小结

第6章主要结论、创新点及展望

6.1 结论

6.1.1 典型锑矿区锑及其他重金属的土壤污染及生态风险等级

6.1.2 锑矿区土壤中的耐锑菌群落结构特征

6.1.3 耐锑菌的筛选及其对锑的转化

6.1.4 锑在水稻植株中的积累及转移特征

6.1.5 耐锑菌作用下水稻对锑的吸收与转移特征

6.2 主要创新点

6.3 不足之处

6.4 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表学术论文情况

文章来源

类型: 博士论文

作者: 龙九妹

导师: 雷鸣

关键词: 锑污染,水稻,微生物群落,耐锑菌,根表铁膜

来源: 湖南农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,环境科学与资源利用,农作物

单位: 湖南农业大学

基金: 国家自然科学基金项目(41671475),中国科技部重点研发项目(2018YFD0800700),湖南省环保厅项目(建指[2016]59 号)

分类号: S511;X172

DOI: 10.27136/d.cnki.ghunu.2019.000425

总页数: 122

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