佳乐麝香与镉复合污染对土壤微生物生态效应的影响

摘要

人工合成麝香作为药品与个人护理品(PPCPs)类的新型污染物，其产量高，应用广，且具有持久性、高脂溶性和环境稳定性等特点;重金属镉(Cd)已成为中国土壤首要污染物，它们均引起了国内外学者们的普遍关注。污水灌溉和污泥利用是人工合成麝香与Cd共同的重要来源，因此二者在土壤环境中的共存也较为普遍，已成为土壤中具有潜在危害的新型复合污染物，探究其对土壤微生物生态效应的影响具有重要的现实意义。 本研究选取典型人工合成麝香佳乐麝香(HHCB)与重金属Cd为研究对象，采用室内土壤微宇宙培养法，系统研究了HHCB与Cd单一、复合污染对土壤微生物数量、土壤酶活性、土壤微生物群落功能、结构以及遗传多样性的影响，多角度全面揭示二者复合污染对土壤微生物的生态毒理效应及作用机制，填补了国内外该领域研究的不足，研究结果为土壤HHCB风险评估和生态诊断提供基础依据，为建立复合污染生态毒理诊断指标、风险评价及修复基准提供了科学依据。 选择HHCB浓度为100、500和1000mg·kg-1，Cd浓度为10mg·kg-1。采用平板菌落计数法连续10周测定土壤细菌、真菌及放线菌数量，并对复合污染联合毒性效应进行了分析。结果显示:土壤HHCB单一污染及其与Cd复合污染均对土壤细菌生长表现为先抑制后促进，对真菌表现为促进作用，对放线菌有显著的抑制作用，并且放线菌的抑制率随着HHCB浓度的增加而增加。HHCB对土壤微生物的毒害效应表现为放线菌＞细菌＞真菌。放线菌对HHCB污染很敏感，放线菌的数量与土壤HHCB污染关系密切，二者剂量-效应关系呈对数关系。HHCB与Cd复合污染对细菌的联合毒性效应起初表现协同作用，随着时间的延长转为拮抗作用;对真菌和放线菌的联合毒性效应均表现为拮抗作用。 测定土壤中脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性，并对复合污染联合毒性效应进行了分析。结果显示:土壤HHCB单一污染及其与Cd复合污染均对土壤脲酶活性表现为先促进后抑制，对酸性磷酸酶表现为先抑制后促进，对蔗糖酶有显著的抑制作用，并且蔗糖酶的抑制率随着HHCB浓度的增加而增加。HHCB与Cd复合污染对脲酶的联合毒性效应表现为协同作用;对酸性磷酸酶和蔗糖酶的联合毒性效应均以拮抗作用为主。研究发现:与脲酶和磷酸酶相比，蔗糖酶对HHCB的污染更加敏感，因此，可将蔗糖酶作为土壤HHCB污染的预警指标。 采用Biolog-Eco微平板测定土壤微生物碳源利用情况，并对微生物群落多样性指数和代谢功能进行了分析。结果显示:土壤HHCB单一污染及其与Cd复合污染下，平均颜色变化率(AWCD)均高于空白对照组，表明加入HHCB提高了土壤微生物对碳源的利用能力;培养初期（第2周），Shannon和Simpson指数没有显著变化;培养中期（第4周），500、1000mg·kg-1HHCB单一及其Cd复合污染的Shannon、Simpson和McIntosh指数显著提高，表明土壤微生物种群的丰富度显著提高，优势种群得到显著增加，种群间的均一性被打破;培养后期（第10周），三种指数没有显著变化。土壤微生物对6大类碳源的利用强度有所差异，对酯类的利用最高，而对糖类和羧酸类的利用较低。主成分分析(PCA)结果表明，500mg·kg-1HHCB与Cd复合污染土壤微生物的代谢功能显著改变。 采用磷脂脂肪酸(PLFA)技术研究土壤微生物群落结构，测定土壤中各类菌种特征脂肪酸含量，并进行了PCA和多样性指数分析。结果显示:随着HHCB浓度的增加，细菌脂肪酸含量增加，而真菌和放线菌脂肪酸含量减少;1000mg·kg-1HHCB污染对细菌表现促进作用;1000mg·kg-1HHCB与Cd复合污染对真菌表现显著抑制作用;HHCB单一污染及其与Cd复合污染均对放线菌表现显著抑制作用，放线菌脂肪酸含量与土壤HHCB污染关系密切。1000mg·kg-1HHCB单一污染及其与Cd复合污染均显著提高了B/F、GN/GP值和压力指数，并且这两个处理的土壤微生物群落结构均显著改变，PCA结果表明，500mg·kg-1HHCB与Cd复合污染，1000mg·kg-1HHCB单一及其与Cd复合污染对脂肪酸17∶0、17∶0cyclo、17∶0anteiso、16∶1(ω7c和16∶1ω9c的影响较大。1000mg·kg-1HHCB与Cd复合污染的Shannon、Margalef和Pielou三种指数均显著低于空白对照组，表明土壤微生物群落的多样性、均匀度和丰富度均显著降低。 采用PCR-DGGE和高通量测序方法研究土壤微生物群落遗传多样性，结果显示:细菌PCR-DGGE图谱显示的条带在数量和位置都上发生了显著变化，一些条带消失，而另一些条带则得到富集;单一HHCB污染对菌种多样性的影响强于HHCB与Cd复合污染;Shannon和Margalef指数随着土壤中HHCB浓度的增加而减小，500mg·kg-1HHCB单一污染、1000mg·kg-1HHCB单一及其与Cd复合污染的Shannon、Margalef和Pielou指数显著低于空白对照组，微生物群落的多样性、均匀度和丰富度显著降低。高通量测序结果表明，不同处理的土壤样品中主要类群为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）。随着HHCB浓度升高，变形菌门Proteobacteria)的相对丰度升高，而其它4菌门降低。HHCB单一及其与Cd复合污染促进了变形菌门(Proteobacteria)的生长，却抑制其它4菌门的生长。放线菌门的相对丰度与土壤HHCB污染关系密切，这与平板菌落计数和PLFA技术的结果一致，由此得出放线菌对HHCB污染很敏感，HHCB对放线菌具有很强的毒害作用，可将放线菌作为土壤HHCB污染的早期预警指标。PCR-DGGE在门水平上的聚类和高通量在属水平上的聚类共同表明，500、1000mg·kg-1HHCB单一污染及其与Cd复合污染显著改变了土壤微生物群落结构。

目录

声明

摘要

1．1土壤复合污染

1．1．1复合污染概念与分类

1．1．2复合污染联合作用

1．1．3复合污染毒理机制

1．1．4土壤复合污染研究现状与危害

1．2土壤复合污染的微生物生态毒性效应

1．2．1微生物在土壤环境中的作用

1．2．2土壤微生物多样性

1．2．3土壤微生物学多样性研究方法

1．2．4土壤微生物的生态毒理效应

1．3人工合成麝香与重金属的环境行为与毒性效应

1．3．1人工合成麝香概述

1．3．2人工合成麝香的生态行为

1．3．3人工合成麝香的毒理效应

1．3．4土壤重金属污染概述

1．3．5土壤重金属污染的危害

1．3．6佳乐麝香与镉污染生态毒理学效应

1．4研究意义及研究内容

1．4．1课题来源

1．4．2研究目的与意义

1．4．3研究内容

1．4．4技术路线

第2章佳乐麝香与镉复合污染对土壤微生物数量的影响

2．1引言

2．2材料与方法

2．2．1供试土壤

2．2．2试验试剂和仪器

2．2．3实验方法

2．3结果与讨论

2．3．1HHCB与Cd单一污染对土壤微生物数量的影响

2．3．2HHCB与Cd复合污染对土壤微生物数量的影响

2．3．3HHCB与Cd复合污染对土壤微生物的联合毒性效应分析

2．4本章小结

第3章佳乐麝香与镉复合污染对土壤酶活性的影响

3．1引言

3．2材料与方法

3．2．1供试土壤

3．2．2试验试剂和仪器

3．2．3实验方法

3．3结果与讨论

3．3．1HHCB与Cd单一污染对土壤酶活性的影响

3．3．2HHCB与Cd复合污染对土壤酶活性的影响

3．3．3HHCB与Cd复合污染对土壤酶活性的联合毒性效应分析

3．4本章小结

第4章佳乐麝香与镉复合污染对土壤微生物群落功能多样性的影响

4．1引言

4．2材料与方法

4．2．1供试土壤

4．2．2试验试剂和仪器

4．2．3实验方法

4．3结果与讨论

4．3．1HHCB与Cd单一污染对土壤微生物群落功能多样性的影响

4．3．2HHCB与Cd复合污染对土壤微生物群落功能多样性的影响

4．3．3HHCB与Cd复合污染下土壤微生物群落代谢功能主成分分析

4．4本章小结

第5章佳乐麝香与镉复合污染对土壤微生物群落结构多样性的影响

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1供试土壤

5．2．2试验试剂和仪器

5．2．3实验方法

5．3结果与讨论

5．3．1HHCB与Cd复合污染对土壤各类菌种磷脂脂肪酸含量的影响

5．3．2HHCB与Cd复合污染对土壤微生物总PLFA的影响

5．3．3HHCB与Cd复合污染对土壤微生物多样性指数影响

5．4本章小结

第6章佳乐麝香与镉复合污染对土壤微生物群落遗传多样性的影响

6．1引言

6．2材料与方法

6．2．1供试土壤

6．2．2试验试剂和仪器

6．2．3实验方法

6．3结果与讨论

6．3．1 DGGE指纹图谱分析

6．3．2 DGGE图谱的多样性指数分析

6．3．3高通量测序分析

6．4本章小结

7．1结论

7．1．4HHCB与Cd复合污染对土壤微生物群落结构多样性的影响

7．1．5HHCB与Cd复合污染对土壤微生物群落遗传多样性的影响

7．2创新点

7．3研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

作者简介