多氯联苯污染土壤的菌根际修复及其机理研究

摘要

多氯联苯(Polychlorinated biphenyls，PCBs)污染土壤的生物修复在全球范围内已经得到了广泛关注。丛枝菌根（Arbuscular mycorrhiza，AM）真菌作为植物与土壤、微生物之间联系的桥梁，在PCBs污染土壤的生物修复过程中发挥着重要作用。本论文在筛选PCBs污染土壤高效修复植物及AM真菌的基础上，利用分室根箱系统研究AM真菌与土壤PCBs降解及功能微生物群落之间的关系，主要结果如下:
　　(1)研究美国南瓜（Cucurbita pepo L.cv.Black Beauty）、中国南瓜（Cucurbitamoschata Duch.cv.Miben）、日本南瓜（Cucurbita maxima Duch cv.Cuili1）以及黄瓜（Cucumis sativusL.cv.Jinyou2）等四种植物对长期PCBs污染土壤的修复效率及其机理。结果表明，所有处理均显著增加了土壤PCBs的降解率(19.5％-42.7％)，其中C.pepo和C.moschata处理土壤PCBs降解率显著高于另外两个处理（P＜0.05），其土壤微生物群落结构及PCBs同系物组成也较为类似。土壤G-细菌PLFA生物量与总PCBs降解率呈显著相关（R2=0.719，P＜0.001），而G-细菌和真菌一起与土壤五氯联苯降解率呈显著相关（R2=0.590，P＜0.01）。结果表明，供试C.pepo和C.moschata品种都能通过影响土壤微生物群落从而高效修复PCBs污染土壤。
　　(2)以美国南瓜（Cucurbita pepo L.cv.Black Beauty）为供试植物，比较接种Acaulospora laevis、Glomus caledonium、Glomus mosseae对土壤Aroclor1242的降解效率及其微生物机理。A.laevis和G.mosseae显著促进土壤Aroclor1242降解率及细菌丰度(P＜0.05)。AM真菌能显著促进联苯双加氧酶编码基因（bphA）和Rhodococcus属2，3-二羟基联苯双加氧酶编码基因（bphC）丰度(P＜0.05)。Betaproteobacteria和Actinobacteria在土壤细菌群落中占据主要地位，其中Actinobacteria显著影响了非根际土壤PCBs同系物组成（F=2.288，P＜0.05）。结果表明，A.laevis和G.mosseae能够通过促进土壤bph基因及特定微生物种群丰度而促进PCBs的降解。
　　(3)分别以C.pepo和G.mosseae为供试植物和AM真菌，利用分室根箱系统研究菌丝际土壤微生物群落与Aroclor1242降解之间的相互联系。接种AM真菌的处理其菌丝室土壤PCBs降解率显著高于未接种的对照（P＜0.05）。土壤三氯、四氯联苯以及总PCBs降解率与菌丝长度呈显著正相关（P＜0.05）。AM真菌菌丝促进了Rhodococcus属bphC基因(bphC(Rh)丰度，改变了土壤微生物群落结构，Betaproteobacteria和Actinobacteria纲细菌在群落中占据主要地位，而Burkholderials和Actinomycetales是主要的科。结果证明，AM真菌菌丝可以促进bphC（Rh)基因丰度以及改变土壤微生物群落结构，进而影响土壤PCBs的降解。
　　(4)利用分室根箱系统，以[13C]PCB-4为研究对象，研究了PCBs代谢微生物对AM真菌菌丝的响应特征。结果表明，对照土壤[13C]标记的bphA及bphC（Rh）基因丰度显著增加（P＜0.05），但接种AM真菌仅显著促进了bphC基因的丰度（P＜0.05）。AM真菌菌丝对PCB-4利用微生物产生了影响，显著提高了[13C]DNA中Firmicutes及Proteobacteria的相对比例（P＜0.05），特别是Betaproteobacteria纲的相对比例，但是对Actinobacteria影响不显著。进一步分析结果显示，Burkholderiaceae科是利用[13C]PCB-4的主要微生物，且AM真菌对其具有显著的促进作用。

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致谢

摘要

图目录

表目录

1 引言

1．1 多氯联苯及其污染现状

1．1．1 多氯联苯简介

1．1．2 多氯联苯污染现状

1．2 多氯联苯污染土壤的生物修复

1．2．1 微生物修复

1．2．2 植物修复

1．2．3 PCBs污染土壤生物修复的调控

1．3 丛枝茵根真菌修复

1．3．1 菌根对植物生长的影响

1．3．2 菌根对有机污染物降解的影响

1．3．3 茵根对根际范围的影响

2 论文研究目标和技术路线

2．1 论文研究目标

2．2 技术路线

3 不同植物对PCBs污染土壤的修复效率及其微生物机理

3．1 材料与方法

3．1．1 试验设置

3．1．2 PCBs含量测定

3．1．3 PLFA提取及分析

3．1．4 统计与分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 植物生物量及PCBs吸收

3．2．2 土壤PCBs降解特征

3．2．3 土壤PLFA含量及微生物群落结构

3．2．4 土壤PCB同系物组分结构与微生物群落的相关性

3．3 结论

4 不同AM真菌对Aroclor1242污染土壤的修复效率及其机理

4．1 材料与方法

4．1．1 供试土壤

4．1．2 试验设置

4．1．3 土壤总DNA提取及荧光定量PCR分析

4．1．4 土壤细菌的高通量测序及数据处理

4．1．5 统计与分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 植物生物量、根系侵染率及土壤茵丝长度

4．2．2 土壤Aroclor1242降解

4．2．3 土壤细菌及bph基因丰度

4．2．4 土壤细菌种群分析

4．2．5 细菌群落结构及其与Aroclor1242降解的关系

4．3 结论

5 菌丝际土壤微生物群落演变特征及其对PCBs降解的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 试验设置

5．1．2 AM真菌分析

5．1．3 PCBs提取及分析

5．1．4 降解基因丰度及高通量测序分析

5．1．5 统计与分析

5．2 结果与讨论

5．2．1 AM真菌生物量

5．2．2 土壤PCBs降解

5．2．3 PCBs降解相关基因丰度

5．2．4 土壤微生物群落结构

5．3 结论

6 PCBs代谢微生物群落对AM真菌茵丝的响应特征

6．1 材料与方法

6．1．1 供试土壤

6．1．2 试验设置

6．1．3 土壤AM菌丝长度及PCBs含量分析

6．1．4 土壤DNA提取及密度梯度离心

6．1．5 降解基因丰度及高通量测序分析

6．1．6 统计与分析

6．2 结果与讨论

6．2．1 土壤菌丝长度及PCBs含量

6．2．2 不同浮力密度梯度细菌16S rDNA丰度

6．2．3 PCBs降解相关基因丰度

6．2．4 PCB降解相关微生物群落分析

6．2．5 PCB降解相关微生物群落分析

6．3 结论

7 结论与展望

7．1 结果与结论

7．1．1 PCBs污染土壤高效修复植物筛选及其根际修复微生物机理

7．1．2 接种AM真菌对土壤Aroclor1242细菌降解的影响

7．1．3 AM真菌菌丝际土壤微生物群落演变特征及其对PCBs降解的影响

7．1．4 PCBs代谢微生物群落对AM真菌茵丝的响应特征

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要成果