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《中国地质大学(北京)》 2017年
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铅锌矿区土壤中特异性微生物吸附转化铅机理研究

曾远  
【摘要】:矿山探寻与开采是国民经济的重要影响因素,但其导致的重金属污染也正在成为环境和人类健康最严重的危害之一。采用生物找矿及生物修复重金属污染等方式具有绿色环保、可持续、无二次污染等优点。在重金属矿区发现的特异性微生物参与金属的矿物分解、元素释放、迁移转化、沉淀和富集等过程,可以应用于金隐伏矿山的探索过程。微生物还可以通过吸附、累积及生物转化(氧化/还原或配体络合等)等过程改变重金属的元素分布、价态、赋存形态、生物有效性或毒性等,在土壤及水体重金属修复中也有广泛应用。特异性微生物通过分泌物如有机酸、生长素等的作用可以促进植物在重金属胁迫下的生长、提高植物对重金属的耐受性及吸附累积能力,提高植物生物修复重金属效率。为探究特异性微生物在生物修复重金属污染的微观机理,本文引入原位微区同步辐射X射线荧光(μ-SRXRF)、X射线吸收近边结构谱(XANES)及透射电子显微镜(TEM-EDXA)研究云南兰坪铅锌矿区农田土壤样品中筛选的铅耐受性细菌吸附铅(Pb)的分布特征及其对铅形态的转化规律,是本文主要的创新性之一。通过定向筛选与培养,发现该矿区具有Pb耐受性的特异性菌株主要为节杆菌属(Arthrobacter sp.),其对Pb的耐受浓度在200-600μg/g之间,在含有高Pb浓度的原始土壤样品中筛选的菌株对Pb的耐受浓度也较高。建立μ-SRXRF快速测定特异性细菌吸附Pb浓度的标准曲线,结果显示特异性细菌吸附铅的含量高达5925μg/g,富集系数达14.8。结合XANES和TEMEDXA结果显示,在较高浓度Pb环境培养基中,特异性细菌吸附Pb后,可累积在细胞体内,主要以PbS(58%)、Pb_5(PO_4)_3Cl(19.8%)和(C_(17)H_(35)COO)_2Pb(22%)沉积在细胞质基质中。将特异性细菌接种到含有Pb矿物的液体培养基中,发现该矿物在培养基中溶解,以小分子有机结合态Pb(Ac)2·3H2O(76.8%)存在,接种耐受性菌株后,可以转化为大分子有机结合态如(C_(17)H_(35)COO)_2Pb(83.3%)或C32H66PbS2(54.1%)形式。在土壤中接种细菌后,其对土壤中铅的硝酸铵提取态增加,提高土壤中铅生物有效性1倍,表明其可以应用于辅助植物修复过程中。
【关键词】:土壤 重金属 特异性微生物 生物有效性 生物累积与转化 同步辐射X射线荧光 植物修复
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X172;X753
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-11
  • 第1章 引言11-47
  • 1.1 重金属污染与修复11-16
  • 1.1.1 重金属污染的环境危害12-14
  • 1.1.2 重金属污染的修复14-16
  • 1.2 微生物在生物修复及找矿中的应用16-29
  • 1.2.1 超富集植物的重金属修复17
  • 1.2.2 非超富集植物对重金属的累积效应17-18
  • 1.2.3 蔬菜作物的植物修复18-19
  • 1.2.4 重金属污染土壤的微生物修复19-21
  • 1.2.5 微生物对植物修复的促进作用21-28
  • 1.2.6 微生物找矿作用28-29
  • 1.3 特异性微生物与重金属相互作用微观机制29-35
  • 1.3.1 重金属对微生物生长的影响30-32
  • 1.3.2 特异性微生物与重金属的微观作用机理32-35
  • 1.4 微区X射线荧光在重金属分布及形态研究中的应用35-43
  • 1.4.1 重金属微区分布及含量分析36-40
  • 1.4.2 重金属形态转化研究40-42
  • 1.4.3 本研究采用微区X射线技术概况42-43
  • 1.5 研究区域与研究内容43-47
  • 1.5.1 金顶铅锌矿区开发概况及污染控制43-45
  • 1.5.2 本文研究目标与研究内容45-47
  • 第2章 矿区土壤重金属含量分布47-58
  • 2.1 实验部分47-51
  • 2.1.1 土壤样品采集及处理47-48
  • 2.1.2 土壤理化性质测试48-49
  • 2.1.3 土壤重金属含量测试49-50
  • 2.1.4 土壤中重金属分步提取实验50-51
  • 2.2 土壤重金属及理化性质结果51-56
  • 2.2.1 土壤样品中理化性质结果51-53
  • 2.2.2 土壤样品中重金属含量结果53-55
  • 2.2.3 土壤样品中铅分布提取结果55-56
  • 2.3 本章小结56-58
  • 第3章 土壤中微生物分布特征58-70
  • 3.1 实验部分58-60
  • 3.1.1 土壤中微生物的分离、培养及计数58-59
  • 3.1.2 抗铅特异性细菌的筛选、鉴定59-60
  • 3.2 微生物分布60-65
  • 3.2.1 土壤样品中微生物计数结果60-62
  • 3.2.2 土壤理化性质对微生物分布的影响62-63
  • 3.2.3 重金属浓度对微生物分布影响63-64
  • 3.2.4 土壤中铅形态对微生物的影响64-65
  • 3.3 筛选及鉴定铅特异性细菌65-68
  • 3.3.1 铅耐受性细菌的筛选65-66
  • 3.3.2 特异性微生物铅耐受浓度测试66-67
  • 3.3.3 铅特异性细菌鉴定67-68
  • 3.4 本章小结68-70
  • 第4章 微生物对重金属吸附机制70-80
  • 4.1 实验部分70-71
  • 4.1.1 含铅培养基中定量分析方法70-71
  • 4.1.2 特异性细菌中铅含量微区分布71
  • 4.2 特异性细菌吸附铅微区分布规律71-76
  • 4.2.1 特异性细菌吸附铅微区分布(培养基平面)71-74
  • 4.2.2 特异性细菌吸附铅微区分布(培养基剖面)74-76
  • 4.3 特异性细菌吸附铅定量测试76-79
  • 4.3.1 微区定量分析方法76-77
  • 4.3.2 细菌吸附铅浓度定量结果77-79
  • 4.4 本章小结79-80
  • 第5章 微生物对重金属转化机制80-94
  • 5.1 实验部分80-82
  • 5.1.1 微生物转化铅形态XANES测试80-81
  • 5.1.2 细菌吸附转化后铅的TEM-EDXA测试分析81
  • 5.1.3 细菌对土壤中Pb生物有效性影响实验81-82
  • 5.2 特异性微生物转化铅形态XANES结果82-87
  • 5.2.1 细菌转化培养基中铅形态分析82-85
  • 5.2.2 细菌转化难溶性铅化合物形态分析85-87
  • 5.3 特异性微生物对土壤中PB生物有效性的影响87-88
  • 5.4 讨论:微生物与重金属作用对植物修复的影响88-92
  • 5.4.1 特异性微生物影响植物修复的方式89-90
  • 5.4.2 特异性微生物对植物修复重金属的促进作用90-92
  • 5.5 本章小结92-94
  • 第6章 总结94-96
  • 致谢96-97
  • 参考文献97-111
  • 附录111-112
  • 作者简介111
  • 发表成果111-112

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