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黄河河南段河岸沉积物微生物生态系统对重金属污染的响应及机制认领

作者：

曹宇

学位授予单位：

河南师范大学

摘要：

黄河河南段是河南省最大的过境河流,沉积物质量直接关系到黄河及其流域的水质安全和生态健康。长期重金属复合污染情况下,沉积物中独特微生物群落的形成机制,以及微生物群落对重金属形态和价态转化、植物富集重金属的作用机制等尚不清楚。本研究在全面调查和评估黄河河南段干流及支流沉积物重金属浓度、形态等污染现状的基础上,将重金属高污染的黄河支流——蟒河作为主要对象,研究了蟒河沉积物中微生物响应重金属污染的群落形成机制,全面调查了黄河干流及支流植被覆盖情况,筛选出高富集植物——苍耳(Xanthium strumarium),研究其根际和非根际微生物群落特征以及根际微生物在苍耳富集重金属过程中的作用。主要研究结果如下。 (1)系统调查了黄河河南段干流和主要支流沉积物中的重金属含量以及重金属的铁锰氧化态、残渣态、有机结合态等形态特征。为更准确的评价重金属的污染风险,本研究创新性的将重金属的生物可利用性纳入评价体系,更新了毒性评价系数,改进重金属风险评估方法。结果表明,沉积物中大部分重金属的平均浓度高于历史数据以及土壤背景值,黄河干流金属汞的浓度偏高,使得该河段汞含量达到中等污染水平,主要支流蟒河的金属复合污染水平最为严重,达到重度污染水平。绝大多数重金属的赋存状态以铁锰氧化态为主,Cr、Mn、Zn等从上游到下游,随着复合重金属浓度梯度下降,逐渐转向更稳定的残渣态,其中Cr从上游的3%升高到下游的40%。同时,随着沉积深度的增加,铁锰氧化态逐渐转向残渣态。 (2)长期重金属复合污染形成了独特的微生物群落和重金属抗性基因组,这些微生物在重金属形态、价态转化、抗性基因水平转移等方面具有重要作用。在污染更为严重的上游,阿拉伯半乳聚糖、肽聚糖、脂阿拉伯甘露聚糖等的生物合成以及半乳糖、磷酸戊糖、淀粉和蔗糖的代谢等与微生物能量供应相关的途径得到富集,相比之下,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解、d-氨基酸代谢、β-丙氨酸代谢和色氨酸代谢等氨基酸和其他氨基酸的代谢在污染较轻的下游样品中富集。蟒河沉积物中存在丰富的重金属抗性基因,这些重金属抗性基因在群落间的传播是蟒河微生物群落能够适应复合重金属污染的独特机制,携带重金属抗性基因的质粒从上游到下游减少,而与重金属抗性基因相连的插入序列种类沿河从上游到下游逐渐增加,质粒和插入序列上的Cr抗性基因数量较少,而Cu、Zn和As抗性基因较多,表明Cr抗性基因的主要传播途径可能不是通过质粒和插入序列进行传播,而是另有途径。 (3)全面调查了黄河嫩滩植被的分布特征,从优势植物中筛选到可高效富集底泥高污染重金属的优势植物。黄河嫩滩植被以被子植物为主,绝大多数都是耐水淹植物。在三条支流中,蟒河的重金属污染最为严重,蟒河流域植被构成单一,其中苍耳占据绝对优势地位,这可能与该流域重金属污染程度较为严重有关。在蟒河河滩优势植物中,筛选到苍耳、葎草、稗草三种富集重金属的植物,其中苍耳对Cr、稗对Cd具有高富集积累的特性。 (4)研究了重金属高富集植物苍耳根际和非根际土壤微生物的群落特征,揭示了根际微生物在植物富集重金属过程中的功能。苍耳根际土壤中大部分重金属的生物可利用性降低,表明苍耳可有效减轻土壤中的重金属毒性。在长期重金属复合污染下,微生物的多样性和丰度整体下降,但苍耳的根系分泌物促进了特定根际微生物群落的形成,微生物之间的网络关系紧密,抗干扰能力增强,这些微生物通过铬酸盐还原酶、氨基酸代谢富集等途径提升了苍耳应对重金属胁迫的能力,促进植物对重金属的富集。 (5)系统研究了重金属长期复合污染环境中苍耳根际、非根际土壤微生物转化六价铬的能力及转化机制。在自养微生物体系中,非根际粘附型菌的转化能力最强,而异养微生物体系中,根际粘附型菌的转化能力最强。yie F和chr R基因在微生物转化六价铬的过程中起重要作用,在所有样品中均有较高浓度,尤其是根际土壤。综上所述,本文研究了黄河河南段沉积物重金属浓度和形态分布特征和潜在风险程度,对深入理解长期复合重金属污染下微生物群落自然构建机制及群落适应机制提供科学参考,通过对高富集植物苍耳根际群落的研究,发现了根际群落对六价铬转化的机制,对黄河流域重金属污染防治提供理论支撑,对黄河水资源和生态环境保护提供科学依据。

摘要译文

关键词：

黄河河南段; 重金属污染; 植被分布; 微生物群落; 六价铬

学位年度：

2024

学位类型：

博士

学科专业：

微生物学

导师：

杨清香

中图分类号：

X52[水体污染及其防治⑨]

学科分类号：

0713[生态学];083002[环境工程];120116[资源与环境管理]

D O I：

10.27118/d.cnki.ghesu.2024.000043