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磷矿废弃地铬污染的生物修复机理研究

磷矿废弃地铬污染的生物修复机理研究

作者：郭姝雨武汉工程大学

学位级别：硕士

我国磷矿资源储量丰富,居世界第二位,但无序开采和长期的选冶活动导致大量矿山沦为废弃地,给周边环境造成了潜在的重金属污染危害,如铬(Cr)、铅(Pb)、镉(Cd)和砷(As)等。这些重金属离子会随着雨水淋溶流入周边的湖泊和农田等,最终对人... 详细信息

我国磷矿资源储量丰富,居世界第二位,但无序开采和长期的选冶活动导致大量矿山沦为废弃地,给周边环境造成了潜在的重金属污染危害,如铬(Cr)、铅(Pb)、镉(Cd)和砷(As)等。这些重金属离子会随着雨水淋溶流入周边的湖泊和农田等,最终对人类和动植物生命健康带来不可逆转的巨大危害。本研究以磷矿废弃地铬(Cr(Ⅵ))污染为研究对象,利用微生物和植物联合的生物修复技术为研究手段,从以下四个方面开展研究,以期为阐明磷矿废弃地Cr(Ⅵ)污染的生物修复机理以及最终实现磷矿废弃地Cr(Ⅵ)污染的有效修复提供一定的理论基础和技术支撑。(1)土著溶磷除Cr(Ⅵ)微生物的分离筛选从湖北宜昌磷矿废弃地土壤中分离筛选得到一株具有较强溶磷除Cr(Ⅵ)能力的菌株,经细胞形态、生理生化和16S r RNA序列分析,该菌株鉴定为巨大芽孢杆菌(Bacillus megatherium),并将其命名为PMW-03。(2)分离菌株的溶磷及除Cr(Ⅵ)能力研究对菌株PMW-03的溶磷及除Cr(Ⅵ)能力进行了研究,结果显示菌株PMW-03溶磷量最高可达320 mg/L,同时培养液的p H也降为最低4.54,对Cr(Ⅵ)的去除率高达94.8%。接着研究了菌株PMW-03在不同初始p H和Cr(Ⅵ)浓度下的溶磷除Cr(Ⅵ)能力,结果显示在初始p H为4时菌株的溶磷量和Cr(Ⅵ)去除率最高,分别达到501 mg/L和100%,这说明菌株PMW-03更适于在较为酸性的环境中生存。不同初始Cr(Ⅵ)浓度的溶磷实验结果表明,当初始Cr(Ⅵ)浓度为60 mg/L时,此时可溶磷含量达到峰值308 mg/L,是相同条件下初始Cr(Ⅵ)浓度为100 mg/L时的7.69倍。这说明菌株PMW-03的溶磷以及对Cr(Ⅵ)的去除能力良好,具有修复磷矿废弃地土壤Cr(Ⅵ)污染的潜力。(3)分离菌株对磷矿废弃地Cr(Ⅵ)污染的修复机理研究对菌株PMW-03的细胞内铬酸还原酶、过氧化氢酶和过氧化物酶活性进行了检测,发现当初始Cr(Ⅵ)浓度为60 mg/L时这三种酶的活性分别达到40.1、145和154U/min/gm,表明菌株PMW-03对Cr(Ⅵ)进行了生物还原。磷矿废弃地土壤Cr(Ⅵ)污染的微生物修复实验发现与不接种菌株PMW-03的处理相比,接种了菌株PMW-03的含有50 mg/kg和100 mg/kg Cr(Ⅵ)污染的磷矿废弃地土壤中,可溶磷含量最高分别为54.9 mg/kg和69.1 mg/kg,Cr(Ⅵ)的去除率分别为66.7%和71.9%,表明菌株PMW-03对磷矿废弃地土壤Cr(Ⅵ)污染修复的巨大潜力。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X-射线衍射(XRD)分析结果表明,菌株PMW-03细胞表面的官能团对Cr(Ⅵ)有直接吸附作用,在菌株PMW-03的作用下,土壤中的磷与Cr(Ⅵ)结合形成难溶性沉淀,达到固定Cr(Ⅵ)的目的。宏基因组测序分析结果表明,土壤中的微生物群落结构发生了一定程度的改变,与金属转运、能量代谢等有关的功能参与到微生物对Cr(Ⅵ)的代谢中来,微生物通过上调Cr(Ⅵ)抗性基因Yie F、Chr R、Chr A、nit R、Chr T和sdh A的表达来抵抗Cr(Ⅵ)的胁迫。(4)分离菌株-凤尾蕨联合修复磷矿废弃地Cr(Ⅵ)污染的机理研究对菌株PMW-03的吲哚乙酸(IAA)和铁载体分泌能力进行了检测,结果发现菌株PMW-03能有效分泌这两种物质,表明它具有促进植物生长的前提条件。通过盆栽实验研究了菌株PMW-03和凤尾蕨联合修复磷矿废弃地土壤Cr(Ⅵ)污染的能力,结果表明与未接种菌株PMW-03的凤尾蕨处理组相比,接种了菌株PMW-03的凤尾蕨表现出更高的生物量,根长、茎长以及叶片叶绿素含量也在一定程度上增加。通过检测修复后凤尾蕨根际土壤p H、可溶磷含量、有效Cr(Ⅵ)含量以及凤尾蕨对磷和Cr(Ⅵ)的吸收,发现菌株PMW-03能够有效增加土壤中可溶磷含量,降低有效Cr(Ⅵ)浓度,并且有利于凤尾蕨对磷和Cr(Ⅵ)的吸收。根际土壤的宏基因组分析表明凤尾蕨根系分泌物可能引起了根际微生物群落结构的变化,这些微生物通过激发金属转运、能量代谢以及氨基酸转运等多种功能以及上调Cr(Ⅵ)抗性相关基因FTH1、FTL、HAP90A、glg P、htp G、gln A和GLUD1＿2的表达共同抵抗Cr(Ⅵ)的胁迫。综上证明菌株PMW-03与凤尾蕨联合体系对磷矿废弃地土壤Cr(Ⅵ)污染修复的有效性和可行性。

关键词：磷矿废弃地铬(Cr(Ⅵ))污染生物修复生物固定宏基因组

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磷矿废弃地铅污染的生物修复研究

磷矿废弃地铅污染的生物修复研究

作者：王琪武汉工程大学

学位级别：硕士

我国磷矿储量丰富,但大多为中低品位磷矿,导致开采过程中“采富弃贫”现象严重,由此产生了大量的磷矿废弃地。磷矿废弃地存在一定程度的重金属污染,尤其是铅污染,如果不能及时修复,会在土壤中不断的累积,并且经过雨水的冲刷及元素的迁移... 详细信息

我国磷矿储量丰富,但大多为中低品位磷矿,导致开采过程中“采富弃贫”现象严重,由此产生了大量的磷矿废弃地。磷矿废弃地存在一定程度的重金属污染,尤其是铅污染,如果不能及时修复,会在土壤中不断的累积,并且经过雨水的冲刷及元素的迁移,对周边环境造成影响。目前关于磷矿废弃地铅污染的生物修复研究相对少见,本研究以溶磷菌以及微生物-植物联合去除磷矿废弃地铅污染为主线,从以下几个方面开展相关研究,以期为解决我国磷矿废弃地铅污染问题提供一定的科学理论基础及技术支持。1.从磷矿废弃地污染土壤中分离出一株具有较强耐铅能力的溶磷菌,根据其细胞形态、生理生化和系统发育树分析,鉴定其为假单胞菌(Pseudomonas sp.),命名为LA。2.对菌株LA的溶磷作用和耐铅能力进行了研究,结果表明LA有很强的溶磷能力,可以有效的溶解磷酸钙,并释放出可溶磷。在PKO培养基中培养至第5d时,培养基中的可溶磷含量最高,为637mg/L。此外菌株LA对铅离子有很强的耐受性和去除能力,可以有效的去除铅离子污染,且当以淀粉、果糖及蔗糖为唯一碳源时,菌株LA对铅离子的去除率分别为95.41%、98.50%和88.80%。当以蛋白胨为唯一氮源时菌株LA对铅离子的去除率为94.87%。3.研究了菌株LA对中低品位磷矿粉的溶解作用和固铅潜力,结果表明铅离子可以通过磷矿粉被菌株LA溶解后释放的可溶磷所固定,且磷矿粉的溶解和铅的固定与培养基的p H值有关。随着初始铅离子浓度的增加,培养基中的可溶磷含量降低且p H值有所升高,对比未添加磷矿粉的实验组,铅离子的去除率显著增加,当初始铅离子浓度为100mg/L时,铅离子去除率从80.48%增加至97.46%。4.通过傅里叶红外光谱(FT-IR)和X-射线衍射(XRD)探究了磷矿粉溶解和铅离子与菌株LA的生物矿化的潜在机理。结果表明,磷矿粉表面和菌株LA表面上的某些官能团发生了变化且LA可以与铅离子形成羟基磷灰石和焦磷酸盐。5.通过盆栽实验,研究了将耐铅溶磷微生物LA和两种土著植物应用在磷矿废弃地铅污染土壤中的联合修复作用。以磷矿废弃地土著植物黑麦草和苦苣为实验植物,以硝酸铅(Pb(NO))和碳酸铅(Pb CO)两种形态的模拟铅污染为实验对象。结果表明,在磷矿废弃地铅污染土壤中接种菌株LA,可以有效地促进黑麦草和苦苣生长,增加土壤中有效磷含量和植物体内的磷含量,降低土壤中铅的生物有效性。在被Pb CO污染的磷矿废弃地土壤中接种菌株LA后,土壤中的难溶性铅可以被菌株LA溶解转化成为可以被植物吸收和可溶磷结合固定的离子态,一部分被植物吸收积累在体内,另一部分被难溶性磷酸盐释放出的可溶磷结合成为更加稳定的磷酸铅类化合物重新固定在土壤中,从而实现了对磷矿废弃地铅污染的生物修复。

关键词：磷矿废弃地生物修复铅污染溶磷菌生物矿化

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简单复垦对磷矿废弃地磷释放的影响模拟实验

环境化学 2010年第6期29卷 1068-1074页

作者：申琳子冯慕华李文朝王超中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室南京210008 河海大学环境科学与工程学院南京210098

针对简单复垦方式对磷矿废弃地污染物释放的影响开展研究,通过室内培养实验,比较磷矿石、废土石和对照土壤栽培烟草和玉米后污染物的释放量和土壤生物理化性质的关系.研究结果表明,根际土壤可溶性PO43-、F-和Ca2+均比非根际土壤和空白... 详细信息

针对简单复垦方式对磷矿废弃地污染物释放的影响开展研究,通过室内培养实验,比较磷矿石、废土石和对照土壤栽培烟草和玉米后污染物的释放量和土壤生物理化性质的关系.研究结果表明,根际土壤可溶性PO43-、F-和Ca2+均比非根际土壤和空白土壤显著提高(P磷矿石存在较高的潜在分解风险。

关键词：磷污染解磷细菌磷矿废弃地

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昆明磷矿废弃地复垦探讨

中国水土保持 2011年第2期 70-71页

作者：李小英西南林业大学环境科学与工程系云南昆明650224

昆明市是云南省最大的磷矿生产基地,随着国内外市场对磷需求的扩大,磷矿资源开采的强度与范围及矿区废弃土地资源数量呈大幅度增加之势,致使矿区生态环境遭到严重破坏。在对昆明地区磷矿开采区生态环境进行调查的基础上,指出了磷矿废弃... 详细信息

昆明市是云南省最大的磷矿生产基地,随着国内外市场对磷需求的扩大,磷矿资源开采的强度与范围及矿区废弃土地资源数量呈大幅度增加之势,致使矿区生态环境遭到严重破坏。在对昆明地区磷矿开采区生态环境进行调查的基础上,指出了磷矿废弃地复垦中存在的问题及复垦难点,提出了强化水土保持措施的建议。

关键词：土地复垦水土保持磷矿废弃地昆明市

微生物—植物对磷矿废弃地镉污染的联合修复研究

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微生物—植物对磷矿废弃地镉污染的联合修复研究

作者：郑云婷武汉工程大学

学位级别：硕士

由于工业和农业的快速发展,我国对于磷矿资源需求日益增加。对磷矿的肆意开采以及没有完善的生态保护措施导致产生了大量的磷矿废弃地。磷矿废弃地中除含有低品位的磷矿粉（PR）外,还含有大量未经处理的重金属,其中镉（Cd）是代表性重... 详细信息

由于工业和农业的快速发展,我国对于磷矿资源需求日益增加。对磷矿的肆意开采以及没有完善的生态保护措施导致产生了大量的磷矿废弃地。磷矿废弃地中除含有低品位的磷矿粉（PR）外,还含有大量未经处理的重金属,其中镉（Cd）是代表性重金属之一。经过长期降雨淋滤,未经处理的Cd会随着地表径流而扩大污染,这对生态稳定和人类健康构成威胁。本研究通过微生物-植物联合修复技术,研究对磷矿废弃地Cd污染的修复效率,并探究修复机理。本研究将为磷矿废弃地Cd污染土壤的修复提供一定的理论依据和技术支持。主要研究结论如下:（1）从磷矿废弃地中分离筛选得到一株土著耐Cd溶磷真菌,经18S r DNA检测鉴定其为草酸青霉（Penicillium oxalicum）,并命名为ZP6。（2）在液体介质（PKO培养基）中对菌株ZP6溶磷能力进行了研究,结果表明在第7天,菌株ZP6的最大溶磷量可以达到565.57 mg/L,同时培养基p H也下降到最小值3.32。此外研究了菌株ZP6在不同Cd初始浓度下对PR的溶解能力和有效Cd的去除效果。结果表明随着Cd初始浓度增加,菌株ZP6溶解PR和去除Cd的能力降低,但是即使在20 mg/kg初始Cd浓度下,菌株ZP6仍能够溶解PR释放出70.32 mg/kg可溶磷,并且实现85.65%的有效Cd去除率。这说明菌株ZP6具有良好的溶磷效果和Cd去除能力。（3）通过不同的洗脱液对菌株ZP6生物吸附Cd的不同机制进行评估。结果表明菌株ZP6主要通过与细胞壁紧密结合来吸附Cd。在21天的磷矿废弃地Cd污染土壤修复实验中,相较于未接种菌株ZP6的对照组,接种菌株ZP6的处理组土壤p H有所降低,可溶磷含量最高增加了152.54%,对Cd的去除率最多提高了365.72%,最终实现81.64%的Cd去除率。结果表明菌株ZP6用于修复磷矿废弃地Cd污染土壤切实可行。扫描电镜（SEM）结果表明菌株ZP6明显改变了土壤样品的表面结构,丰富的层状结构和孔隙分布为吸附Cd提供了更多的位点。傅里叶红外光谱（FTIR）结果表明菌株ZP6的细胞膜及其表面的各种官能基团对Cd的吸附和固定起着重要作用。为了研究生物固定化产物的组成,对土壤品进行了X-射线衍射（XRD）分析,结果表明菌株ZP6通过产生有机酸来溶解PR,促进Cd-磷酸盐沉淀的形成,从而实现Cd的生物固定。宏基因组分析表明,菌株ZP6可以通过改善微生物群落的功能来缓解Cd胁迫。其中主要酸转运和代谢（E）、一般功能预测（R）、碳水化合物转运和代谢（G）、转录（K）和信号转导机制（T）是主要功能。（4）采用印度芥菜（Brassica juncea L.）做为实验植物,菌株ZP6为实验菌株,通过盆栽实验,探究微生物-植物联合修复磷矿废弃地Cd污染的效果及微生物植物之间的协同作用。结果表明,菌株ZP6能够降低土壤p H,提高土壤可溶磷含量,并且降低土壤有效Cd浓度。在不同处理土壤中,菌株ZP6联合印度芥菜修复磷矿废弃地Cd污染土壤的修复效率最高,可达88.75%。接种菌株ZP6提高了植物对磷的吸收,提高植物叶绿素含量,促进植物的生长发育。土壤酶活（过氧化氢酶活和蛋白酶活）分析结果表明种植植物可以通过根系作用,改善土壤养分,促进土壤养分的积累,减缓土壤中Cd的毒害作用,而菌株ZP6可以增强这一过程。植物对Cd的积累表现为根部>茎部。菌株ZP6不仅可以促进植物对Cd的积累,提高植物对Cd的转运,还可以减缓Cd胁迫下的植物体内氧化应激反应。

关键词：镉污染磷矿废弃地溶磷真菌植物修复联合修复

昆阳磷矿废弃地植被恢复过程中土壤性状演变概述

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广东农业科学 2015年第21期42卷 55-62页

作者：汪俊珺和丽萍孟广涛李贵祥柴勇西南林业大学环境科学与工程学院云南昆明650224 云南省林业科学院云南昆明650204

矿区废弃地造成的环境污染、生态破坏问题,已经严重威胁到了生态经济的可持续发展和人类的生存。矿区废弃地实施生态恢复是解决矿区生态环境的重要措施之一,通过植被恢复来改善土壤质量是矿区废弃地生态恢复的最佳策略。从土壤物理特性... 详细信息

矿区废弃地造成的环境污染、生态破坏问题,已经严重威胁到了生态经济的可持续发展和人类的生存。矿区废弃地实施生态恢复是解决矿区生态环境的重要措施之一,通过植被恢复来改善土壤质量是矿区废弃地生态恢复的最佳策略。从土壤物理特性(含水量、容重、孔隙度)、化学特性(氮、磷、钾等)和土壤生物学活性(微生物量、土壤酶活性、土壤动物)方面阐述了土壤特性对磷矿废弃地植被恢复过程的响应,为阐明磷矿废弃地的土壤特性响应机理提供理论依据;并提出今后该领域的研究建议:采用土壤动物作为土壤健康的生物指示标准,加强研究植被恢复过程中土壤动物对土壤质量变化响应机理,以便更好地探索昆阳磷矿废弃地植被恢复后土壤质量演变过程中土壤动物群落动态变化及其与植被关系。

关键词：磷矿废弃地植被恢复土壤动物土壤质量

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樟村坪磷矿废弃地先锋物种的光合生理特性

福建林业科技 2009年第2期36卷 79-82,139页

作者：郄光武陈芳清郭彦荣三峡大学生态与环境科学研究中心湖北宜昌443002

通过对植物在废弃地和周边地区生境地的光合速率等相关生理指标的比较测定，研究了磷矿废弃地8种先锋植物（木蓝、多花胡枝子、盐肤木、荩草、狗尾草、牛尾蒿、五节芒、葛）的光合生理特性。结果表明，除牛尾蒿外生长在磷矿废弃地上的其... 详细信息

通过对植物在废弃地和周边地区生境地的光合速率等相关生理指标的比较测定，研究了磷矿废弃地8种先锋植物（木蓝、多花胡枝子、盐肤木、荩草、狗尾草、牛尾蒿、五节芒、葛）的光合生理特性。结果表明，除牛尾蒿外生长在磷矿废弃地上的其它7种先锋物种的光合速率与生长在周边地区生境地的同种物种相比差异不显著，8种先锋植物的光饱和点在800～1000μmol·m^-2·s^-1之间，光补偿点在30～70μmol·m^-2·s^-1之间，但磷矿废弃地先锋物种的蒸腾速率则明显低于周边地区生境地的同种物种，说明这些物种具有较强的光合能力以及对磷矿废弃地环境的适应能力，磷矿废弃地环境对大多数先锋物种的光合作用没有抑制作用。这8种先锋物种是可以用于磷矿废弃地的生态恢复的。

关键词：磷矿废弃地先锋物种光合速率蒸腾速率光响应曲线樟村坪

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樟村坪磷矿废弃地植物群落的形成与演替

生态学报 2001年第8期21卷 1347-1353页

作者：陈芳清卢斌王祥荣三峡大学生物系宜昌443000 复旦大学环境科学与工程系上海200433

通过分析湖北省宜昌县樟村坪磷矿废弃地植被的组成、空间结构、各成分综合优势比及其群集度的变化以及植物分布与环境因子的相关性等问题 ,探讨了该地植被恢复过程中植物群落形成与演替的一般规律。结果表明 ,废弃地 6种演替植物群落的... 详细信息

通过分析湖北省宜昌县樟村坪磷矿废弃地植被的组成、空间结构、各成分综合优势比及其群集度的变化以及植物分布与环境因子的相关性等问题 ,探讨了该地植被恢复过程中植物群落形成与演替的一般规律。结果表明 ,废弃地 6种演替植物群落的形成是先锋植物种类入侵、定居、群聚和竞争的结果 ,在植物群落形成与演替的过程中 ,各种类成分的种群数量及综合优势比呈动态变化 ,废弃地植物群落形成与演替的过程按演替序列可分为 3个阶段。植物群落形成与演替还与环境因子有关 ,废弃地高浓度的土壤速效磷是影响植物生长与分布的胁迫因子。伴随着群落的形成与演替。

关键词：植物群落演替物种多样性磷矿废弃地樟村坪

磷矿开采废弃地旱冬瓜群落特征及对植被恢复的讨论

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云南大学学报（自然科学版） 2004年第B7期26卷 234-237页

作者：杨礼攀叶其炎杨树华王宝荣云南大学生态学与地植物学研究所云南昆明650091

通过调查抚仙湖流域磷矿废弃地剥离表土堆积区自然恢复形成的旱冬瓜群落的物种组成、空间结构及其与周围环境的关系等相关性问题,探讨了该地植被恢复中旱冬瓜群落的形成特点.结果表明,剥离表土堆积区由于周围旱冬瓜母树种子的传播,在2～... 详细信息

通过调查抚仙湖流域磷矿废弃地剥离表土堆积区自然恢复形成的旱冬瓜群落的物种组成、空间结构及其与周围环境的关系等相关性问题,探讨了该地植被恢复中旱冬瓜群落的形成特点.结果表明,剥离表土堆积区由于周围旱冬瓜母树种子的传播,在2～3年内即可在废弃地形成2～4m高的旱冬瓜幼林.群落的盖度和物种组成较稳定,在矿山废弃地自然植被恢复中具重要意义,可作为同类地区矿山废弃地植被恢复的借鉴.

关键词：磷矿废弃地旱冬瓜群落特征植被恢复生态恢复植物群落土壤光照