某冶炼工厂周围农田土壤重金属污染状况及其对细菌群落影响的研究

摘要

目的：
　　评价河南某冶炼工厂周围农田土壤重金属污染状况，并探讨重金属污染对该地土壤中细菌群落的影响。
　　材料与方法：
　　于该工厂西侧（该地常年主导风向下风侧），依次选择距离工厂主烟囱741~2556m的7块农田观察区（G1~G7），分4个季度共采集28个混合土样，固体测汞仪法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法测定土壤中汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、铬（Cr）8种重金属含量。单项累积指数法和内梅罗指数法进行重金属累积性评价，Hakanson潜在生态危害指数法进行土壤生态风险评价。采用美国国家环保局推荐的健康风险评估模型，评价8种重金属对成人和儿童健康产生的非致癌风险和致癌风险。运用基于16S rDNA的PCR-DGGE方法和Illumina MeSeq平台测序方法，对7块农田土壤细菌群落进行比较分析。
　　结果：
　　1.重金属污染状况：
　　①Cd、Pb、As、Hg、Cu和 Zn等6种金属均在G1观察区出现超标，28份农田混合土样中超标最严重的是Cd和Pb，其最大超标倍数为42.33和6.43。
　　②距离工厂最近的G1、G2观察区的6种重金属含量高于G4~G7观察区，差异均具有统计学意义（P值均小于0.05）。Cd、Pb、As、Hg、Cu和 Zn等6种重金属含量与距工厂的距离呈负相关，P值均小于0.05。
　　③6种重金属含量之间具有正相关性，相关具有统计学意义（P<0.05）
　　④土壤中As、Ni和Cr含量在不同季节分布差异有统计学意义（P值均小于0.05）。
　　2.潜在生态风险评价：Cd、Pb、Hg的单项累积指数范围在9.25~342.69之间，达到重度累积。G1~G7观察区的综合累积指数为731.13~30588.88，均达到重度累积； G1~G7观察区的总潜在生态危害指数范围为1620.29~14059.37，均达到极强生态危害。
　　3.健康风险评价：铅经手-口摄入暴露途径对儿童的最大非致癌风险指数为2.44，G1观察区农田土壤中8种重金属对儿童健康的最大总非致癌风险值为3.42，均大于非致癌风险限值1。在7块观察区农田，砷对成人和儿童健康的致癌风险分别为1.36×10-5~4.28×10-5和9.56×10-5~3.00×10-4，超过致癌风险控制值10-6约13.6~42.8和95.6~300倍。
　　4. DGGE指纹图谱发现，第一季度的优势条带最多，共23条；第三季度最少，共有10条。四个季度共检出5种细菌门类，分别为变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和酸杆菌门，其中变形菌门的检出率最高。主成分分析和聚类分析显示，重金属污染最重的G1和G2观察区的细菌群落结构差异性较小，但与其他观察区的差异性较大。冗余分析显示，重金属和理化因素对细菌群落分布均有影响，其中重金属对G1、G2、G6和G7观察区的影响程度最大。
　　5.Illumina MeSeq测序方法共检出34个门、99个纲、138个目、152个科、166个属和50个种。变形菌门、放线菌门、酸杆菌门等优势菌门占总细菌微生物的相对丰度达95％以上。G1观察区的Chao指数、ACE指数、Simpson指数和Shannonz指数等细菌微生物多样性指数最低，分别为4009.14、4180.53、9.40和0.994，远低于细菌多样性最高的G7观察区。绿菌门、装甲菌门、迷踪菌门和拟杆菌门在7块观察区中的丰度分布差异有统计学意义（P<0.05）。在污染最严重的G1观察区，绿菌门的相对丰度最高，与其他观察区相比差异均具有统计学意义（P值均小于0.001）；其装甲菌门相对丰度最低，与污染最轻的G7观察区相比差异具有统计学意义（P值小于0.05）。G1观察区与G3~G7等5个观察区相比，节细菌属、贪铜菌属、芽球菌属等细菌的相对丰度增加，热单孢菌属、厌氧氨氧化菌属（Candidatus Solibacter）的相对丰度降低，差异均有统计学意义（P值均小于0.05）。冗余分析显示，重金属含量对不同观察区细菌群落分布的影响大于含水率等理化性质因素。
　　结论：
　　1.Cd、Pb、Hg和As等金属是该地农田的主要重金属污染物；Cd、Pb、Hg的污染程度达到重度累积，存在极强生态危害；Pb含量对儿童健康具有非致癌风险；As含量对成人和儿童均具有致癌风险。
　　2.重金属污染降低了该地农田土壤中细菌微生物多样性，是影响土壤细菌群落分布的主要因素，主要降低了装甲菌门、热单孢菌属、厌氧氨氧化菌属等细菌的丰度。

目录

声明

缩略词表

1 前言

2 材料和方法

2.1 研究区域

2.2 土壤样品采集

2.3 主要试剂及其配制

2.4 主要实验仪器

2.5 重金属和理化性质测定

2.6 农田土壤重金属污染及潜在生态风险评价

2.7 农田土壤重金属污染对人体的健康风险评价

2.8 采用DGGE方法对农田土壤细菌群落结构研究

2.9 采用Illumina MeSeq测序研究农田土壤细菌群落

2.10 统计学方法

3 结果

3.1 农田土壤重金属污染状况及潜在生态风险评价

3.2 农田土壤重金属污染对人体的健康风险评价

3.3 采用DGGE方法对细菌群落结构的研究

3.4 Illumina MeSeq 测序方法研究的细菌群落结果

4 讨论

4.1 农田土壤中重金属的污染状况

4.2 重金属污染对农田土壤的潜在生态风险评价

4.3 农田土壤中重金属污染对人体的健康风险评价

4.4 采用DGGE方法对重金属污染土壤细菌群落影响的讨论

4.5 Illumina MeSeq 测序对重金属污染土壤细菌群落影响的讨论

5 结论

参考文献

综述

1. 土壤重金属污染来源

2. 土壤重金属污染的生态风险评价方法

3. 土壤重金属污染的健康风险评价方法

4. 土壤微生物群落结构分析技术

5. 土壤重金属污染状况评价

6. 重金属生物学毒性

7. 土壤重金属污染对微生物群落影响

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢