銅尾礦庫重金屬Cu、Zn對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響的論文
我國是有色金屬礦產(chǎn)資源大國,由于大部分礦產(chǎn)資源品位較低,導(dǎo)致開采過程中產(chǎn)生大量尾礦,一般占入選礦石的 70%~95%.這些尾礦利用率極低,大部分長期存放于尾礦庫中.而尾礦庫是一個(gè)物理、化學(xué)以及生物條件復(fù)雜多變的場所,重金屬在這個(gè)特殊環(huán)境中有著獨(dú)特的地球化學(xué)行為及生物有效性.尾礦顆粒細(xì)小、易隨風(fēng)揚(yáng)塵,導(dǎo)致空氣污染,特別是長期堆存條件下的尾礦在微生物和風(fēng)化作用影響下,尾礦中重金屬元素將發(fā)生大規(guī)�；罨�、遷移、形態(tài)轉(zhuǎn)化,外排的廢液或揚(yáng)塵進(jìn)入周邊環(huán)境,從而對周邊環(huán)境產(chǎn)生重金屬污染和危害,對周圍生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的、長期的巨大威脅.
重金屬污染能夠明顯影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu),已有研究表明微生物群落結(jié)構(gòu)的變化能夠較早地預(yù)測土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量的變化過程,被認(rèn)為是最有潛力的敏感性生物指標(biāo).隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在分子水平上研究重金屬對微生物群落的影響已成為可能.變性梯度凝膠電泳技術(shù)(DGGE)是目前研究微生物遺傳多樣性比較有力的分子生物技術(shù)之一,這一技術(shù)能夠提供群落中優(yōu)勢種類信息,同時(shí)分析多個(gè)樣品,具有可重復(fù)和易操作等特點(diǎn),適合于調(diào)查群落結(jié)構(gòu)變化[4-5].Gomes[6]等通過向土壤中投加富含 Cd、Zn 的污泥觀察細(xì)菌的 DGGE 圖譜發(fā)現(xiàn),不管是短期還是長期污染過程中其基因圖譜都產(chǎn)生了顯著變化.潘雪蓮等通過對黃土高原 5 個(gè)土壤樣品進(jìn)行 DGGE 分析發(fā)現(xiàn)不同微生物群落結(jié)構(gòu)的成因與季風(fēng)性氣候引起的溫濕環(huán)境變化及冰期有關(guān).
1 尾礦庫自然概況與研究方法
1.1 尾礦庫自然概況
所取樣銅尾礦庫位于湖北省大冶市西南,距大冶市區(qū)約 3km.地表土壤旱地主要為紅壤和磚紅壤,農(nóng)田主要為稻田土.庫長 1km,寬 0.7km,庫面面積為 0.6km2,近似卵圓形,壩內(nèi)已堆存尾礦500 余萬 t.尾礦砂的主要礦物組分為鐵礦物和銅礦物以及少量含鋅礦物,如黃銅礦、赤鐵礦及黃鐵礦等;主要脈石礦物為方解石、石英和玉髓等.
1.2 研究方法
1.2.1 樣品的采集和保存 在尾礦庫里設(shè)置 5個(gè)相互距離較遠(yuǎn)的樣點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)根據(jù)尾礦樣形態(tài)、色澤、土質(zhì)取表層和深層樣品;另取附近距離約 1km 一小型廢棄銅尾礦庫樣品和附近長有植物的耕土作對照,樣品裝入塑料保鮮袋,24h 內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。
1.2.2 樣品理化性質(zhì)及重金屬測定 土壤理化性質(zhì)按常規(guī)方法測定,分別測定 pH 值、氧化還原電位(Eh)、電導(dǎo)率(κ).陽離子交換量(CEC)采用BaCl2交換法測定;有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7容量法測定.
1.2.3 土壤微生物 DNA 提取及細(xì)菌 16S rRNA的PCR擴(kuò)增 土壤總DNA采用康為世紀(jì)生物公司生產(chǎn)的土壤 DNA 提取試劑盒提取,提取的DNA 經(jīng)純化后置于-20℃下儲(chǔ)存.
2 結(jié)果與討論
2.1 樣品理化性質(zhì)與重金屬污染之間的關(guān)系
樣品的 pH 都在 8.0 以上,屬堿性土且普遍比耕土土壤的 pH 值高,可能是因?yàn)檫x礦過程中堿性浮選藥劑的添加導(dǎo)致pH 值普遍偏高.土壤電導(dǎo)率是測定土壤水溶性鹽的指標(biāo),而所測電導(dǎo)率普遍較低,與 pH 值相關(guān)性不高,說明不溶性鹽的存在導(dǎo)致電導(dǎo)率較低,并不是堿性環(huán)境的'原因.
2.2 土壤細(xì)菌群落 DGGE 圖譜分析
DGGE 圖譜中不同位置的條帶代表不同的微生物類群,不同泳道同一位置條帶的明暗程度(光密度值大小)則反映該菌群在不同環(huán)境樣品中的相對豐度.電泳條帶越多說明生物多樣性豐富,條帶信號(hào)越強(qiáng),表明該種屬數(shù)量越多,從而確定不同樣品中所含的微生物的種類和數(shù)量關(guān)系,得出其中微生物多樣性的信息.
2.3 群落結(jié)構(gòu)與理化因子及重金屬的RDA分析
采用線性回歸的冗余分析(RDA)對引起微生物群落結(jié)構(gòu)變化的因素進(jìn)行分析，結(jié)果見表4.RDA是一種直接梯度分析方法,能從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來評價(jià)一個(gè)或一組變量與另一組多變量數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系p6].將細(xì)菌的種屬作為解釋變量，將理化因子及重金屬含量作為RDA分析中的響應(yīng)變量,通過進(jìn)一步選擇(forward selection)和蒙特卡羅檢驗(yàn)Monte Carlo permutationtest)(P<0.05, = 999)得到解釋細(xì)菌群落變化的顯著變量.
3 結(jié)論
3.1 對銅尾礦庫所采各個(gè)樣品的理化性質(zhì)及重金屬 Cu、Zn 含量進(jìn)行測試分析,結(jié)果表明,重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)(Cu 平均值為 3989mg/kg, Zn 平均值為 885mg/kg)并影響了樣品的理化性質(zhì)(Cu與 pH 和 Eh、Zn 與 CEC 和 OM 都呈顯著相關(guān)性)導(dǎo)致其并不適于作物生長.
3.2 圖譜結(jié)果表明土壤細(xì)菌的多樣性較低 ,與樣品所取深度并無直接關(guān)系.銅和鋅對群落多樣性有抑制作用.而在尾礦庫這個(gè)大環(huán)境的長期作用下各個(gè)樣品之間的種群相似性較高(相似度在45%以上),存在的大部分菌群是對重金屬銅和鋅具有抗性的菌群,一些對污染敏感的菌類相對較少.長有作物的耕土樣品與尾礦庫的樣品多樣性相差不多均較低,說明土壤根本上已受到污染.
3.3 冗余度分析證明了影響細(xì)菌群落的理化因素還有很多并不是簡單的只有本研究所測的因子;Cu 和 Zn 對于細(xì)菌群落的影響作用不完全相同,Cu 的抑制作用較明顯,而 Zn 體現(xiàn)了兩面性,一方面促進(jìn)了群落結(jié)構(gòu)多樣性的豐富,另一方面又抑制了種群的分布,并不是簡單的實(shí)驗(yàn)室研究的線性關(guān)系.
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