銅尾礦庫重金屬Cu、Zn對細菌群落結構的影響的論文
我國是有色金屬礦產資源大國,由于大部分礦產資源品位較低,導致開采過程中產生大量尾礦,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.而尾礦庫是一個物理、化學以及生物條件復雜多變的場所,重金屬在這個特殊環境中有著獨特的地球化學行為及生物有效性.尾礦顆粒細小、易隨風揚塵,導致空氣污染,特別是長期堆存條件下的尾礦在微生物和風化作用影響下,尾礦中重金屬元素將發生大規模活化、遷移、形態轉化,外排的廢液或揚塵進入周邊環境,從而對周邊環境產生重金屬污染和危害,對周圍生態系統造成潛在的、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構,已有研究表明微生物群落結構的變化能夠較早地預測土壤養分及環境質量的變化過程,被認為是最有潛力的敏感性生物指標.隨著現代分子生物學技術的發展,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(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之一,這一技術能夠提供群落中優勢種類信息,同時分析多個樣品,具有可重復和易操作等特點,適合于調查群落結構變化[4-5].Gomes[6]等通過向土壤中投加富含 Cd、Zn 的污泥觀察細菌的 DGGE 圖譜發現,不管是短期還是長期污染過程中其基因圖譜都產生了顯著變化.潘雪蓮等通過對黃土高原 5 個土壤樣品進行 DGGE 分析發現不同微生物群落結構的成因與季風性氣候引起的溫濕環境變化及冰期有關.
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,距大冶市區約 3km.地表土壤旱地主要為紅壤和磚紅壤,農田主要為稻田土.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 在尾礦庫里設置 5個相互距離較遠的樣點,每個樣點根據尾礦樣形態、色澤、土質取表層和深層樣品;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 內帶回實驗室。
1.2.2 樣品理化性質及重金屬測定 土壤理化性質按常規方法測定,分別測定 pH 值、氧化還原電位(Eh)、電導率(κ).陽離子交換量(CEC)采用BaCl2交換法測定;有機質采用K2Cr2O7容量法測定.
1.2.3 土壤微生物 DNA 提取及細菌 16S rRNA的PCR擴增 土壤總DNA采用康為世紀生物公司生產的土壤 DNA 提取試劑盒提取,提取的DNA 經純化后置于-20℃下儲存.
2 結果與討論
2.1 樣品理化性質與重金屬污染之間的關系
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,可能是因為選礦過程中堿性浮選藥劑的添加導致pH 值普遍偏高.土壤電導率是測定土壤水溶性鹽的指標,而所測電導率普遍較低,與 pH 值相關性不高,說明不溶性鹽的存在導致電導率較低,并不是堿性環境的'原因.
2.2 土壤細菌群落 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,條帶信號越強,表明該種屬數量越多,從而確定不同樣品中所含的微生物的種類和數量關系,得出其中微生物多樣性的信息.
2.3 群落結構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構變化的因素進行分析，結果見表4.RDA是一種直接梯度分析方法,能從統計學的角度來評價一個或一組變量與另一組多變量數據之間的相互關系p6].將細菌的種屬作為解釋變量，將理化因子及重金屬含量作為RDA分析中的響應變量,通過進一步選擇(forward selection)和蒙特卡羅檢驗Monte Carlo permutationtest)(P<0.05, = 999)得到解釋細菌群落變化的顯著變量.
3 結論
3.1 對銅尾礦庫所采各個樣品的理化性質及重金屬 Cu、Zn 含量進行測試分析,結果表明,重金屬含量遠遠超標(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(Cu與 pH 和 Eh、Zn 與 CEC 和 OM 都呈顯著相關性)導致其并不適于作物生長.
3.2 圖譜結果表明土壤細菌的多樣性較低 ,與樣品所取深度并無直接關系.銅和鋅對群落多樣性有抑制作用.而在尾礦庫這個大環境的長期作用下各個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 體現了兩面性,一方面促進了群落結構多樣性的豐富,另一方面又抑制了種群的分布,并不是簡單的實驗室研究的線性關系.
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