碳酸盐矿化菌的分离鉴定及对重金属的固定作用

摘要

随着农业生产的发展以及工业化和城市化的不断推进，各种重金属会通过大气沉降、肥料施用、污水排放和地表径流等途径进入农田土壤中对土壤环境质量和农产品安全生产构成了严重威胁，成为急需解决的土壤环境问题之一。环境中存在一类可通过生物矿化作用形成碳酸盐矿物来固结土壤重金属微生物，这类微生物在重金属污染环境生物修复方面具有重要的应用价值。因此本文试图从长期施加鸡粪猪粪等农家肥的大棚蔬菜根际土壤中分离获得可以进行碳酸盐矿化的细菌，并且进一步研究其矿化机理、对土壤中重金属的矿化以及矿化产物的稳定性，主要研究结果如下： （1）分离获得了一株能降解尿素释放碳酸根，进而通过生物矿化作用固结重金属的细菌，系统发育分析和生理生化特征表明该菌株为氧化木糖无色杆菌，将其命名为LAX2。菌株LAX2可在含尿素的培养基中快速生长，所产脲酶的活力最高可达140 U·mL-1，发酵液的pH可达9.06。菌株LAX2对Cu2+、Pb2+和Cd2+的耐受浓度分别可达到115 mg·L-1、105 mg·L-1和35 mg·L-1，X-射线衍射分析（XRD）、傅里叶红外光谱分析（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱（EDS）分析，表明菌株LAX2可通过生物矿化作用形成直径较大的微球形晶体，对单一的Cu、Pb和Cd可分别形成Cu2(OH)2CO3、PbCO3和CdCO3矿物。菌株LAX2的菌体细胞吸附作用、生物矿化作用和非矿化沉淀作用对溶液中Cu2+的去除率分别为93%、85%和72%，对Pb2+的去除率分别为91.6%、86.3%和67.4%，对Cd2+的去除率分别为92.2%、89.1%和78.2%。 （2）菌株 LAX2 对重金属污染土壤的修复研究表明，土壤中有效态 Cu 被快速固定，培养5、10和30 d后土壤有效态Cu的含量分别下降了52.3%、73.7%和87.4%;Pb的含量分别下降了56.1%、76.5%和86.8%;Cd含量分别降低62.1%、75.7%和89.2%。与菌体细胞吸附和化学沉淀相比，生物矿化作用固定的Cu对短期内的淹水和反复冻融具有很强的抗性作用。向Pb污染土壤中加入发酵液、无菌发酵液、菌体细胞后分别进行小白菜盆栽试验，与对照相比，小白菜的株高分别增加了49.4%、21.6%和9.6%;土壤中有效态Pb含量分别降低78.1%、64.2%和52.4%，小白菜中Pb的含量分别下降了56.5%、27.4%和14.5%。Cd污染稻田土壤经菌株LAX2发酵液、无菌发酵液和菌体细胞修复后，水稻根部Cd含量分别下降了35.3%、19.4%和12.5%，茎叶Cd含量分别降低了26.7%、15.6%和8.4%，水稻籽粒中Cd含量分别降低了28.7%、16.4%和7.5%，土壤有效态Cd含量分别下降了56.9%、34.5%和21.0%。 以上研究结果表明，从植物根际土壤中分离获得的氧化木糖无色杆菌对多种重金属具有抗性和生物矿化作用，形成的矿化产物在土壤中具有较高的稳定性。修复后的重金属污染土壤对植物的生长不会产生不良影响，反而能够通过生物矿化作用降低重金属有效态含量，促进植物的生长和减低对重金属的吸收。因此菌株LAX2在单一和复合污染土壤生物修复方面具有重要的应用价值。

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