重金属在污泥蚯蚓堆肥中的变化及对土壤硝化活性的影响

摘要

污泥蚯蚓堆肥是一种有效的污泥处置方式，重金属是污泥堆肥土地利用的主要限制因素。有机肥中含量过高的重金属会对土壤微生物产生负面影响，严重威胁生态系统稳定性。硝化作用是氮素循环的核心环节，氨氧化阶段是硝化过程的限速步骤。以分子生物学技术研究土壤硝化活性及氨氧化微生物对外源重金属的响应有助于认识重金属污染的微生物效应，为土壤质量的微生物评价提供依据。为此，本文从污泥蚯蚓堆肥过程中重金属的变化、外源重金属对土壤微生物活性的影响进行了研究。
　　本研究主要结果如下:
　　(1)污泥经过蚯蚓处理后，pH值、DOC、有机质、含水率、铵态氮、亚硝态氮、凯氏氮、全磷含量均显著降低，硝态氮含量显著升高。污泥脲酶、蔗糖酶、天门冬酰胺酶、谷氨酰胺酶、蛋白酶活性出现不同程度的降低，而碱性磷酸酶活性无明显变化。
　　(2)污泥中重金属Cu、Zn、Cr、Ni和Pb的含量经蚯蚓处理后分别降低了10.77％、24.90％、28.18％、19.90％和66.05％, Cd含量无明显变化，而Fe、Mn含量上升。BCR顺序提取法表明污泥和蚓粪中Cu、Pb、Fe以可氧化态为主，Ni、Mn以可交换态和可还原态为主。蚯蚓处理对重金属可还原态影响不显著，但大幅降低可氧化态含量，降低重金属Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和Cr的有效态含量。这表明蚯蚓能降低污泥重金属的生态毒性。
　　(3)土壤PNR（潜在硝化速率）随Cu、Zn质量浓度的增加迅速降低，高浓度条件下缓慢降低。Cu含量与土壤PNR之间呈显著负相关（P＜0.05），而Zn含量与土壤PNR之间呈极显著负相关（P＜0.01）。同一质量浓度下，Zn对土壤PNR的抑制率高于Cu。
　　(4)外源Cu、Zn对AOA（氨氧化古菌）、AOB（氨氧化细菌）和细菌产生影响。Cu浓度小于600 mg·kg-1时，对土壤细菌数量产生促进，高于900 mg·kg-1时产生抑制。外源Zn对土壤细菌产生数量产生抑制，但影响不显著。土壤中AOA数量远多于AOB。Cu和Zn对土壤AOA的amoA基因产生抑制，但在高浓度条件下(Cu:300-2000 mg·kg-1;Zn:150-1500 mg·kg-1)AOA的amoA拷贝数无显著变化。相比于Zn，Cu对AOA的影响更显著。低浓度条件下（Cu:600～900 mg·kg-1; Zn:150-900 mg·kg-1），外源Cu、Zn提高了土壤AOB基因拷贝数，高浓度（Cu＞1200 mg·kg-1; Zn＞1200 mg·kg-1）产生抑制。Cu、Zn含量和amoA基因丰度之间无显著相关性。
　　(5)外源Cu、Zn对土壤酶活性产生影响。Cu含量与蔗糖酶活性呈极显著负相关（P＜0.01），Zn含量与蛋白酶活性呈极显著负相关(P＜0.01)，脲酶活性与Cu、Zn含量呈显著负相关(P＜0.05)。单一重金属对不同酶活性影响有较大差异，单一酶对重金属响应也不尽相同。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 污泥堆肥

1．1．1 污泥高温堆肥

1．1．2 污泥蚯蚓堆肥

1．2 施用污泥及污泥堆肥对土壤的影响

1．2．1 施用污泥对土壤基本理化性质的影响

1．2．2 施用污泥对土壤重金属的影响

1．2．3 施用污泥对土壤微生物活性的影响

1．3 重金属对土壤微生物活性的影响

1．3．2 重金属对土壤氮转化的影响

1．3．3 重金属对土壤酶的影响

1．4 定量PCR在氨氧化菌群研究中的应用

1．4．1 氨氧化细菌氨氧化作用

1．4．2 分子微生物学

1．4．3 定量PCR在氨氧化微生物中的应用

1．5 本论文的研究意义及研究方法

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

第二章 蚯蚓堆肥对污泥理化性质及酶活性的影响

引言

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验方法

2．1．3 数据统计与分析

2．2 结果与讨论

2．2．1 蚯蚓堆肥对污泥基本理化性质的影响

2．2．2 蚯蚓堆肥对污泥无机氮的影响

2．2．3 蚯蚓堆肥对污泥酶活性的影响

2．3 结论

第三章 污泥蚯蚓堆肥过程中重金属形态变化特征

引言

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验方法

3．1．3 数据统计与分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 污泥及蚓粪重金属含量评价

3．2．2 蚯蚓堆肥对污泥重金属含量的影响

3．2．3 蚯蚓堆肥对污泥重金属形态的影响

3．2．4 蚯蚓堆肥对污泥重金属有效态含量的影响

3．3 结论

引言

4．1 材料与方法

4．1．1 试验材料

4．1．2 试验设计及培养方法

4．1．3 土壤基本理化性质的测定

4．1．4 土壤酶活性的测定

4．1．5 数据统计与分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 外源重金属Cu、Zn在土壤中的稳定化特征

4．2．2 外源重金属Cu、Zn对土壤EC值和pH值的影响

4．2．3 外源重金属Cu、Zn对土壤酶活性的影响

4．3 结论

第五章 外源Cu、Zn对土壤硝化作用和氨氧化微生物的影响

引言

5．1 材料和方法

5．1．1 试验材料和设计

5．1．2 土壤潜在硝化速率(PNR)的测定

5．1．3 土壤DNA的提取

5．1．4 荧光定量PCR

5．1．5 数据统计与分析

5．2 结果与讨论

5．2．1 外源重金属Cu、Zn对土壤潜在硝化速率(PNR)的影响

5．2．2 外源重金属Cu、Zn对细菌16sRNA的影响

5．2．3 外源重金属Cu、Zn对土壤amoA的影响

5．2．4 相关性分析

5．3 结论

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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