摘要
重金属是一类具有潜在危害的化学污染物，主要通过化肥与农药施用、污水灌溉、垃圾不合理处置等途径进入土壤，进而导致土壤生态系统环境质量恶化。我国北方地区土壤还面临干旱、高风蚀、高盐碱的环境挑战，使得在南方有效的修复技术在北方并不适用。本研究以内蒙古包头市官降村周边由污水灌溉造成的复合重金属污染的农田土壤为研究对象，利用实验室生产的菌粉对复合重金属污染土壤进行修复。通过对菌粉环境适应性研究，确定了菌粉生长的最适条件及重金属耐受程度。对官降村十亩地实验地进行理化性质及重金属含量的调查分析，基于微生物矿化修复技术，对示范区土壤进行施加菌剂、助剂、菌剂加助剂组合处理，对修复前后土壤中重金属固化效率进行了论证，同时结合现代分子生物学技术对微生物群落多样性开展研究，并对修复种植后植物的生长指标进行验证。取得的主要结果如下： （1）蒙科优菌菌粉的环境适应性研究实验表明，蒙科优菌菌粉的最适尿素浓度为0.4mol/L，最适Ca离子浓度在0.2mol/L，菌粉矿化产物经XRD、SEM、FTIR分析验证确定为以方解石为主要晶型的碳酸钙沉淀。单一重金属胁迫下蒙科优菌对重金属Pb的耐受浓度可达4mmol/L，Zn的耐受浓度可达3mmol/L，重金属Cd的耐受浓度可达0.5mmol/L，在复合重金属胁迫下细菌的耐受程度降低。蒙科优菌对三种重金属均有良好的去除效果，其中，对重金属Pb的去除效果最好，最高去除率能够达到74.21%。 （2）示范区是面积为10亩的农田土壤，整个示范区共布设42个采样点，其中，Pb含量范围在32.09mg/kg-312.29mg/kg，有20个点位超过土壤筛选值，Zn含量范围在82.71mg/kg-791.66mg/kg，有31个点位超过土壤筛选值，Cd含量范围在0.14mg/kg-1.02mg/kg，有20个点位超过土壤筛选值，Cr、As、Hg三种重金属不超标。土壤pH值范围在7.96-9.14，均值为8.54，为碱性土壤，土壤养分含量N、P、K等级分布不均匀，N处于4级及5级即中、低水平；P处于3级及4级即中上、中水平；K处于2级即高水平较丰富。 （3）修复周期结束后采集土壤样本对重金属固化效果进行验证，微生物菌剂修复后重金属浸出毒性下降20%以上，重金属形态发生转变，易迁移转变的可交换态含量下降，碳酸盐结合态升高。同时修复后，改善了土壤的物理结构，促进土壤团聚体形成，提高了土壤的营养指标，有机质含量提高了14.27%-28.91%，无机碳含量升高了21.96%-110.74%，总碳含量升高了6.07%-45.81%。 （4）采用宏基因组对生物修复后研究区域土壤中微生物群落多样性进行分析。研究发现经过微生物矿化修复技术修复复合重金属污染农田土壤，会对土壤土著微生物群落结构造成影响。外源添加菌剂后，微生物的物种丰度发生了变化，厚壁菌门（Firmicutes）成为了门水平丰度最大的物种，而只添加助剂的组别物种丰度与对照组相比无显著变化，同时经过α多样性和β多样性分析可以得出，在添加生物菌剂后，土壤微生物的生物多样性及丰度与相较于对照组呈现了一定的下降。 （5）土壤修复后通过小白菜种植，结果表明经过修复，可以显著改善小白菜生长状况，单位平方植株重量提升范围在234.15%-656.09%，生物量提升最显著的是单独施加菌剂组，较CK增长了533%，提高光合色素含量以及可溶性蛋白等植物营养指标。修复后对小白菜对Pb、Zn、Cd三种重金属的富集情况进行验证，根部富集量显著高于叶部，对照组小白菜叶部重金属Pb含量在0.5mg/kg，经过处理后所有组别小白菜重金属Pb含量均低于0.3mg/kg，满足GB2762-2017《食品安全国家标准-食品中污染物限量》要求，重金属Zn、Cd同样不超标，说明利用微生物矿化修复技术对大规模复合重金属污染农田进行土壤修复是可行的。
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