摘要
多氯联苯(PCBs)是环境中存在的一类典型含氯有机污染物,因其具有半挥发性、持久性、生物富集性和高毒性等特点而被联合国环境规划署列为首批需要削减和控制的12种持久性有机污染物之一。土壤是环境中PCBs的最主要储存场所,土壤中的PCBs可以通过食物链的生物富集和逐级放大,最终危害人体健康。因此,研究PCBs污染土壤的生物修复机理与技术对于控制环境污染、保障粮食安全和保护人体健康都具有重要的科学和实践意义。 豆科植物与根瘤菌是自然界中最常见的植物.微生物共生体系,根瘤菌侵染豆科植物形成具有生物固氮功能的根瘤,对促进农业生态系统的氮循环具有重要意义。有研究结果表明,在盆栽和田间试验条件下,接种根瘤菌能够强化豆科植物紫花苜蓿对PCBs污染土壤的修复作用。然而对紫花苜蓿-根瘤菌共生体系降解PCBs的机理研究仍缺少相关报道。本研究以紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和中华苜蓿根瘤菌(Sinorhizobiummeliloti)为供试材料,通过室内模拟以及田间试验系统研究了紫花苜蓿.根瘤菌共生体对土壤中PCBs的降解效应、机理与修复潜力。主要包括:根瘤菌在游离和共生两种状态下对土壤中PCBs的降解能力与代谢产物,田间紫花苜蓿单作或与禾本科植物间作对PCBs复合污染土壤的修复潜力,以及植物根际土壤微生物群落结构多样性在PCBs降解中的作用。本研究为发展PCBs污染土壤的生物修复技术提供了新的理论基础和技术方法。 本研究的主要结果总结如下: (1)游离态的根瘤菌S.meliloti能够以三氯联苯PCB28为唯一碳源和能源,对其进行直接好氧降解,且降解率随时间增加而逐渐提高,最高可达80%左右。S.meliloti在休眠降解体系中对PCB28的代谢中间产物为2-羟基-6-氧-6-苯基己二烯酸(HOPDA)。S.Meliloti的生物强化修复可以显著促进污染土壤中PCBs总量以及所有21种PCBs同系物的降解,且S.meliloti的接种明显提高了污染土壤中细菌和联苯降解菌的数量。 (2)紫花苜蓿-根瘤菌共生体各组织均可吸收富集PCB28,而根瘤中所富集的浓度最高;接种野生型根瘤菌的共生体中所富集的PCB28浓度显著高于接种固氮突变株的共生体;共生体可以对其所吸收富集的三氯联苯PCB28发生还原脱氯代谢,代谢产物为二氯联苯PCB8,并伴有游离态氯离子的释放;接种野生型根瘤菌的共生体中脱氯产物PCB8的浓度以及CI-的外流强度显著高于接种突变株的共生体,表明紫花苜蓿.根瘤菌共生体对PCB28的还原脱氯代谢与其固氮能力有关。 (3)绿色荧光蛋白gfp基因标记以及稳定性同位素13C标记技术表明,根瘤菌对共生体根瘤的侵染动态与根瘤的生长发育及其固氮功能的发挥相一致。在根瘤的发育过程中,根瘤菌不断从根瘤的分生区向核心区和成熟区侵染。在具有固氮活性的成熟根瘤中,根瘤菌则主要分布于根瘤中心部位的固氮核心区,并利用13C-PCB28中的13C作为碳源合成自身核酸,从而参与了根瘤中13C-PCB28的降解代谢。 (4)田间种植紫花苜蓿对污染土壤中PCBs的去除起着重要的作用,一方面,紫花苜蓿可以通过直接提取修复,吸收土壤中的部分PCBs;另一方面,紫花苜蓿的种植可以刺激根际土壤微生物的生长、诱导土壤脱氢酶和荧光素二乙酸酯酶的表达;PCR-DGGE的结果表明,紫花苜蓿的种植还可以改变土壤微生物群落结构多样性,刺激土壤中联苯降解菌的生长。 (5)与禾本科植物相比,豆科植物紫花苜蓿因具有生物量大、根部吸收富集PCBs能力强等优点,其单作时对土壤中PCBs的提取修复效率最高;紫花苜蓿与禾本科植物黑麦草、高羊茅间作后,可分别提高黑麦草、高羊茅单作对土壤PCBs的植物提取修复效率;紫花苜蓿与禾本科植物间作后可显著提高土壤中微生物群落的丰富度和多样性,从而强化植物对土壤PCBs的去除效率。
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