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BDE-47污染土壤微生物修复研究——以黑钙土和黄棕壤为例

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目录

摘要

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.1.1 PBDEs的特性

1.1.2 PBDEs的环境行为

1.1.3 PBDEs的毒性作用

1.1.4 开展BDE-47污染土壤微生物修复与研究的必要性

1.1.5 我国典型BDE-47污染土壤调查

1.2 国内外研究进展

1.2.1 典型PBDEs的微生物降解

1.2.2 污染土壤的微生物修复

1.3 研究目的、研究内容及技术路线

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

1.4 创新点

第二章 研究区域概况及研究方法

2.1 研究区域概况

2.2 土壤样品采集

2.3 模拟体系构建

2.4 土壤中BDE-47含量测定

2.5 土壤理化性质测定

2.5.1 土壤含水量测定

2.5.2 土壤pH测定

2.5.3 土壤有机质含量测定

2.5.4 土壤总氮含量测定

2.5.5 土壤总磷含量测定

2.5.6 土壤总钾含量测定

2.6 土壤中微生物数量测定

2.7 土壤中可培养微生物群落结构测定

2.8 土壤中微生物群落结构基因组测定

2.8.1 基因组DNA提取

2.8.2 PCR扩增

2.8.3 荧光定量

2.8.4 Illumina平台文库构建

2.8.5 Illumina平台测序

2.8.6 生物信息分析流程

2.9 菌种保藏

2.9.1 斜面保存法

2.9.2 甘油保藏法

2.10.3 固定化小球性质测试

2.10.4 固定化小球模拟修复应用过程

2.10.5 固定化小球降解能力测试方法

2.11 数据处理

第三章 不同类型土壤模拟前后理化性质变化及BDE-47降解效果分析

3.1 土壤理化性质变化分析

3.1.1 含水量变化分析

3.1.2 pH变化分析

3.1.3 有机质含量变化分析

3.1.4 总氮含量变化分析

3.1.5 总磷含量变化分析

3.1.6 总钾含量变化分析

3.2 BDE-47降解情况分析

3.3 本章小结

第四章 黑钙土模拟修复过程中微生物数量和群落结构变化分析

4.1 细菌总数变化分析

4.2 模拟体系微生物群落结构解析

4.2.1 可培养微生物群落结构解析

4.2.2 总微生物群落结构解析

4.3 降解菌4-1动态变化分析

4.3.2 降解菌4-1相对丰度变化分析

4.4 本章小结

第五章 黄棕壤模拟修复过程中微生物数量和群落结构变化分析

5.1 细菌总数变化分析

5.2 模拟体系微生物群落结构解析

5.2.1 可培养微生物群落结构解析

5.2.2 总微生物群落结构解析

5.3 降解菌4-1动态变化分析

5.3.2 降解菌4-1相对丰度变化分析

5.4 本章小结

第六章 模拟前后土壤理化性质与微生物群落结构相关性分析

6.1 土壤理化性质与门水平上微生物群落结构相关性分析

6.2 土壤理化性质与纲水平上微生物群落结构相关性分析

6.3 土壤理化性质与目水平上微生物群落结构相关性分析

6.4 土壤理化性质与科水平上微生物群落结构相关性分析

6.5 土壤理化性质与属水平上微生物群落结构相关性分析

6.6 本章小结

第七章 降解菌株固定化及其在黄棕壤模拟修复体系中的应用研究

7.1 降解菌株最优固定化条件研究

7.1.1 海藻酸钠浓度对固定化小球的影响

7.1.2 氯化钙浓度对固定化小球的影响

7.1.3 固定化时间对固定化小球的影响

7.1.4 菌浓度对固定化小球的影响

7.2 固定化小球在土壤中降解能力分析

7.3 模拟体系土壤理化性质变化

7.4 模拟体系土壤微生物数量变化

7.5 模拟体系微生物群落结构变化分析

7.6 模拟体系芽孢杆菌属动态变化分析

7.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

声明

致谢

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摘要

2,2',4,4'-四溴联苯醚(2,2',4,4'-tetrabromodiphenyl ether,BDE-47)作为新型持久性有机污染物PBDEs(Polybrominated diphenyl ethers)的一种单体,在多种环境介质及生物体中被检出。BDE-47具有甲状腺毒性、免疫毒性、神经毒性和一定的致癌效应。土壤作为BDE-47的最终归宿之一,是BDE-47污染物的聚集地和释放源。微生物作为土壤介质中重要的生物组成成分,其行为对于土壤中BDE-47的迁移转化具有至关重要作用。微生物修复技术作为污染土壤主要修复技术之一,正备受广大研究者青睐。
  本研究选择BDE-47为研究对象,将典型黑钙土与黄棕壤作为背景土壤,充分模拟不同类型BDE-47污染土壤生态环境,分析BDE-47和降解菌4-1的添加对各模拟体系土壤特有微生物数量及群落结构组成的影响,通过测定BDE-47含量变化来确定修复效果,选择修复效果较好的土壤类型进行固定化降解菌修复效果的研究,结合土壤理化性质、微生物数量及群落结构,从而完成模拟BDE-47污染土壤的微生物(游离菌株和固定化菌株)修复效果的评价。研究结果表明:
  (1)添加BDE-47和降解菌4-1对黄棕壤理化性质影响较小,黄棕壤含水量、pH、有机质、总氮、总磷、总钾的含量在各模拟体系中均呈现不显著性差异。对于黑钙土而言,BDE-47和降解菌的添加直接影响了土壤中总氮和总磷的含量,其中对总氮含量影响显著。模拟前后对各体系中BDE-47含量测试分析发现,黑钙土中土著菌对于BDE-47几乎无降解作用,降解菌株4-1的添加对于BDE-47的去除效果同样不明显;而黄棕壤中存在能够降解BDE-47的土著菌,模拟90天,降解率为24.53%,降解菌4-1的添加增加了该体系内BDE-47的降解,降解率为39.77%。
  (2)黑钙土模拟体系中,污染物BDE-47和降解菌的添加在对微生物数量影响显著。通过高通量测试结果聚类分析发现降解菌4-1的添加对于黑钙土中微生物群落结构组成影响较大,对各模拟体系中的Chao1、Ace、Shannon、 Simpson指数分析发现,微生物物种总数随着模拟的进行呈现下降趋势,BDE-47和降解菌株的添加降低了黑钙土中微生物的多样性。黑钙土中微生物群落结构组分属于28个门,57个纲,116个目,212个科,302个属,酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)为黑钙土优势菌门,BDE-47和降解菌的添加对黑钙土中的酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、疣微菌门(Verrucomicrobia)具有促进作用,对变形菌门(Proteobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)具有抑制作用。
  (3)黄棕壤模拟体系中,BDE-47的添加在模拟前期抑制了微生物的数量,但随着模拟的进行,微生物数量增加趋势明显。通过高通量测试结果聚类分析发现BDE-47和降解菌4-1添加之初对微生物群落影响不大,模拟过程中微生物群落结构组成发生变化的主要原因。对各模拟体系多样性进行指数分析发现。各模拟体系中微生物物种总数随着模拟的进行呈现上升趋势,但BDE-47和降解菌株的添加降低了黄棕壤中微生物的多样性。黄棕壤中微生物的群落结构组分属于19个门,53个纲,116个目,226个科,348个属,酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)为黄棕壤优势菌门,黄棕壤中微生物菌门的相对丰度未随着BDE-47和降解菌的添加呈现显著变化,而模拟过程则是导致微生物菌门相对丰度变化的主要原因。
  (4)黑钙土和黄棕壤模拟修复过程中,相对丰度在1%以上的分类学上可查得门、纲、目、科、属均与所测定的土壤理化性质呈现较好的相关性。Actinobacteria门下的Micrococcales目Micrococcaceae科Agromyces属和Arthrobacter属以及Propionibacteriales目Nocardioidaceae科Nocardioides属与土壤有机质和总钾含量均呈现显著负相关。Proteobacteria门下的Deltaproteobacteria纲Myxococcales目Haliangiaceae科Haliangium属以及Alphaproteobacteria纲Rhodospirillales目Rhodospirillales_Incertae_Sedis科Reyranella属均呈现与含水量显著负相关、与有机质含量正相关、与总磷含量负相关的一致性。
  (5)将降解菌4-1固定后应用于修复黄棕壤BDE-47污染体系试验过程,修复90天时模拟体系内的BDE-47降解率为36.94%。固定化小球在模拟过程中对黄棕壤理化性质具有影响,其中土壤pH、有机质和总氮含量呈现下降趋势,总磷、总钾的含量则呈现上升的趋势。固定化菌株4-1添加初期对微生物数量变化影响不显著,随着模拟的进行微生物数量呈现显著增加的趋势(p<0.05)。修复过程中变形菌门(Proteobacteria)相对丰度下降11%左右,放线菌门(Actinobacteria)相对丰度上升23%左右。而优势门酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度变化趋势不明显。

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