丛枝菌根真菌在稀土-重金属复合污染土壤植物修复中的作用研究

摘要

内蒙古地区稀土资源丰富，稀土资源的开发与利用带来巨大经济效益的同时，也给内蒙古草原生态系统造成了非常严重的生态环境问题。同时，稀土资源的开发利用所带来的土壤污染问题有其特殊性，通常伴随着稀土与重金属的复合污染问题。因此，从保护稀土矿区生态环境和维持内蒙古地区草原生态系统稳定性的角度出发，急需寻求一条综合治理稀土资源开发与利用所引起的土壤复合污染的可行途径。丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）具有促进污染土壤植物修复的潜力，但其在稀土-重金属复合污染土壤修复中的作用及机理尚不明确。本文选取代表性的稀土元素Ce、La和重金属元素Pb，以菌根的模式植物玉米（Zea mays L.）为供试植物，模拟不同程度的稀土Ce污染土壤、稀土La与重金属Pb复合污染土壤，通过生物学盆栽试验研究AM真菌对玉米生长及吸收Ce、La和Pb的影响，讨论接种AM真菌在稀土-重金属复合污染土壤植被恢复中的潜在作用。为解决我国稀土矿藏开采所带来的土壤污染问题提供科学依据和技术支持。
　　本文主要的试验内容分为两个部分。试验一采用温室盆栽试验的方法，研究了分别接种5种AM真菌(G.aggregatum、C.etunicatum、R.intraradices、F.mosseae或G.versiforme)对100 mg/kg、500 mg/kg和1000 mg/kg Ce污染土壤中玉米（Zea maysL.）菌根侵染率、生物量、矿质营养元素的吸收、C∶N∶P生态化学计量比及Ce吸收的影响及其所发挥的菌根效应。试验结果表明，5种AM真菌均与玉米成功建立了互利共生的关系，菌根侵染率为11％～76％，随着土壤中Ce浓度的增加而降低。随着土壤中Ce浓度的增加，玉米植株干重以及对N、P、K、Ca、Mg5种矿质营养元素的吸收量降低。在100、500 mg/kg Ce污染土壤中接种AM真菌显著提高了玉米植株生物量，促进了对N、P、K、Ca、Mg5种矿质营养元素的吸收，在1000 mg/kg Ce污染土壤中对玉米植株生物量和矿质营养的吸收无明显作用。随着土壤中Ce浓度的增加，玉米地上部和根部C∶P及N∶P显著提高。在100和500 mg/kg Ce污染土壤中，接种5种AM真菌显著降低了玉米植株的C∶P和N∶P，符合生长速率假设，但在1000 mg/kg Ce污染土壤中，接种AM真菌对玉米植株的C∶P和N∶P无显著影响。随着土壤中Ce浓度的提高，玉米地上部和根部Ce的浓度增加。接种AM真菌显著促进了100 mg/kg Ce污染土壤中玉米植株地上部分Ce的吸收，对玉米根部Ce吸收无明显作用;接种AM真菌对500 mg/kg Ce污染土壤中玉米地上部和根部Ce吸收无明显作用;AM真菌显著降低了1000 mg/kg Ce污染土壤中玉米根部Ce的吸收，但对玉米地上部Ce吸收无明显作用。
　　试验二采用温室盆栽试验的方法，研究了接种4种AM真菌（C.etunicatum、R.intraradices、F.mosseae和G.versiforme）在50 mg/kg、200 mg/kg、800 mg/kg稀土La和重金属Pb复合污染土壤中对玉米菌根侵染率、生物量、矿质营养元素的吸收、C∶N∶P生态化学计量比及La和Pb的吸收的影响。试验结果表明，4种AM真菌均与玉米成功建立了互利共生关系，菌根侵染率为37％～80％，随着土壤中La-Pb复合污染物浓度的增加而降低，最低可达到27％。随着土壤中La-Pb复合污染物浓度的提高，玉米地上部和根部生物量及对N、P、K、Ca、Mg5种矿质营养元素的吸收逐渐减少。在50、800 mg/kg La-Pb复合污染土壤中，接种5种AM真菌对玉米植株的干重无显著影响;在200 mg/kg La-Pb复合污染土壤中，接种提高了玉米植株的干重，最高可超过对照组玉米干重的105％。接种AM真菌促进了玉米对矿质营养元素的吸收，其中在200 mg/kg La-Pb复合污染土壤中接种AM真菌对玉米吸收P的促进作用最显著，接种C.etunicatum时玉米地上部分P吸收量增加了262％。随着土壤中La-Pb复合污染物浓度的增加，玉米植株C∶P和N∶P显著提高，接种AM真菌显著降低了3种La-Pb复合污染土壤中玉米的C∶P和N∶P，符合生长速率假设。随着土壤中La-Pb复合污染物浓度的增加，玉米地上部和根部对La、Pb的吸收量增加。50 mg/kg La-Pb复合污染土壤中，接种AM真菌显著促进了玉米植株对La的吸收与根部对Pb的吸收，显著抑制了玉米地上部分对Pb的吸收;200 mg/kg La-Pb复合污染土壤中，接种AM真菌显著降低了玉米地上部分对La和Pb的吸收量，促进了玉米根部对La和Pb的吸收，其中接种R.intraradices的作用最明显，玉米地上部分La和Pb的吸收量分别降低了66％和70％，根部La和Pb的吸收量分别提高了76％和88％;800 mg/kg La-Pb复合污染土壤中，接种AM真菌显著提高了玉米地上部分La和根部Pb的吸收量，最高可达对照的1.36倍与1.95倍，但接种处理对玉米地上部分Pb吸收和根部La吸收的作用差异较大。
　　结果初步证明，AM真菌具有修复稀土-重金属复合污染土壤的潜力，对玉米植株的生长、矿质营养元素的吸收具有促进作用，增强玉米对稀土和重金属的抗性。本研究对更好地解决我国稀土矿藏开采所带来的生态破坏与环境污染问题具有十分重要的理论指导意义和实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 稀土资源开发导致的生态环境问题

1．1．1 对土壤环境的影响

1．1．2 对水生生态系统的影响

1．1．3 对大气环境的影响

1．1．4 对自然景观的破坏

1．1．5 对人体及动植物体健康的影响

1．2 土壤稀土污染治理措施研究进展

1．2．1 物理修复法

1．2．2 化学修复法

1．2．3 生物修复法

1．3 丛枝菌根真菌在稀土-重金属复合污染土壤修复中的潜在作用

1．4 研究目的与意义

1．5 研究内容与技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究技术路线

第二章 AM真菌对Ce污染土壤中玉米生长及Ce吸收的影响研究

2．1 材料与方法

2．1．1 供试材料

2．1．2 试验方法

2．1．3 样品制备及分析测定

2．1．4 数据分析

2．2 结果与分析

2．2．1 接种AM真菌对玉米菌根侵染率的影响

2．2．2 接种AM真菌对玉米生物量的影响

2．2．3 接种AM真菌对植株N、P、K、Ca和Mg吸收的影响

2．2．4 接种AM真菌对植株C：N：P生态化学计量比的影响

2．2．5 接种AM真菌对玉米植株中稀土元素Ce吸收的影响

2．2．6 土壤中Ce有效态与玉米植株内Ce元素浓度的相关性分析

2．3 讨论

2．4 小结

第三章 AM真菌对La-Pb复合污染土壤中玉米生长及La、Pb吸收的影响研究

3．1 材料与方法

3．1．1 供试材料

3．1．2 试验方法

3．1．3 样品制备及分析测定

3．1．4 数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 接种AM真菌对玉米菌根侵染率的影响

3．2．2 接种AM真菌对玉米生物量的影响

3．2．3 接种AM真菌对植株N、P、K、Ca和Mg吸收的影响

3．2．4 接种AM真菌对植株C：N：P生态化学计量比的影响

3．2．5 接种AM真菌对植株中稀土元素La和重金属元素Pb浓度的影响

3．2．6 土壤中La和Pb有效态与玉米植株内La和Pb浓度的相关性分析

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 结论与展望

4．1 主要结论

4．2 研究特色与创新点

4．3 存在问题与展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间个人成果