鎘污染土壤的生物修復：熱化學(xué)研究耐鎘菌株抗性機制

陳海燕

【摘要】：隨著(zhù)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(jìn)行污染土壤的修復。去除土壤污染物以修復被污染的土地,成為土壤環(huán)境研究領(lǐng)域里一個(gè)非常重要的課題。與物理修復、化學(xué)修復相比,在被污染土壤的修復中,生物修復所具有的安全性、經(jīng)濟性和非破壞性的優(yōu)點(diǎn),使其成為最具有前途的修復技術(shù)。生物修復(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(dòng)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到凈化土壤的目的,使生物的生命代謝活動(dòng)減少土壤環(huán)境中有毒有害物的濃度或使其完全無(wú)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到原初狀態(tài)的過(guò)程。 土壤的污染是指人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的有害物質(zhì)進(jìn)入土壤,當其含量超過(guò)土壤本身的自?xún)裟芰?并使土壤的成分,性質(zhì)發(fā)生變異,降低農作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,并危害人體健康的現象,而重金屬污染己成為當今最重要的環(huán)境問(wèn)題之一,也是最重要的土壤污染物之一。重金屬進(jìn)入土壤后,對土壤微生物有一定的毒害作用。據報道,目前我國受鎘、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬(wàn)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(wàn)公頃,污水灌溉的農田面積已達330多萬(wàn)公頃。污水灌溉及廢棄物等對農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(gè)不可逆轉的過(guò)程,許多有機化學(xué)物質(zhì)的污染也需要較長(cháng)時(shí)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(shí)間才能夠恢復,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?xún)艋饔脕?lái)消除。土壤污染一旦發(fā)生,往往很難恢復,其他治理技術(shù)可能見(jiàn)效較慢。因此,生物修復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(shí)驗研究就是針對被重金屬污染的土壤進(jìn)行生物修復的前期研究開(kāi)展研究的,通過(guò)研究微生物代謝機制來(lái)討論耐鎘菌株的生物修復功能。 本研究選用易在生命體內積累并會(huì )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(cháng)密度,生長(cháng)活性,以及生物多樣性都有著(zhù)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化過(guò)程化中會(huì )對植物、動(dòng)物、微生物以及土壤酶活性產(chǎn)生不同程度的危害。鎘會(huì )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合,形成穩定的絡(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(guò)抑制土壤微生物的生長(cháng)和繁殖,減少體內酶的合成和分泌,最后導致土壤酶活性下降。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(wú)機營(yíng)養的再生和營(yíng)養物的轉化等方面起著(zhù)重要作用。 本研究通過(guò)現代微量量熱技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應用,可以讓我們了解鎘與土壤微生物的相互作用機理,通過(guò)分析放熱曲線(xiàn)、生化需氧量、溶解氧含量并結合顯微技術(shù)等生化分析對微生物代謝過(guò)程的分析,我們可以較系統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機理和抗性機制,所以選擇微量熱技術(shù)測定方法對進(jìn)一步準確表征細菌的性質(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—反應規律,在此基礎上,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雜,數量具大,無(wú)法了解土壤中常見(jiàn)單一菌種的代謝活動(dòng)及其不同菌種共存時(shí)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(yáng)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上,初步研究?jì)煞N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(shí)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(kāi)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(shí)結合pH值測定分析以及紫外分光技術(shù)進(jìn)一步對其機理進(jìn)行研究,為鎘污染土壤抗性機制研究提供可靠數據; (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機制做同步實(shí)驗監測,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,結合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(guò)程的監測,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上,為我國大片重金屬污染土地的修復提供科學(xué)依據和技術(shù)基礎。

【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