根系微生物省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)

根系微生物在環(huán)境污染治理中應(yīng)用第1頁(yè)CONTENTS1.根系微生物介紹

2.應(yīng)用于有機(jī)污染物修復(fù)3.應(yīng)用于重金屬修復(fù)4.用于去除氮素污染物目錄第2頁(yè)1.根系微生物介紹1.1概念

根系微生物是指在植物根系直接影響幾毫米土壤范圍內(nèi)生長(zhǎng)繁殖微生物。有細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物等。它們與植物根系、植物等相互作用、相互促進(jìn)，形成互利互生關(guān)系。根系微生物以細(xì)菌為主，革蘭氏陰性菌占優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)根系微生物對(duì)植物無(wú)害，或?qū)χ参锷L(zhǎng)有促進(jìn)作用。比如：根系微生物增殖過(guò)程中，由呼吸作用放出二氧化碳或代謝產(chǎn)酸有利于難溶礦物質(zhì)溶解，增加植物對(duì)磷及其它礦質(zhì)元素吸收。另外，它們分泌生長(zhǎng)刺激素類物質(zhì)還能促進(jìn)植物生長(zhǎng)。植物也分泌殺害或抑制微生物生長(zhǎng)物質(zhì)，有些根系微生物分泌抗生素，可抑制植物病原微生物繁殖。第3頁(yè)1.2存在狀態(tài)

土壤中營(yíng)養(yǎng)、水分、氣體、酸堿度、滲透壓、溫度等條件，為土壤中微生物提供良好生存環(huán)境。植物根系圈內(nèi)特殊生態(tài)條件愈加速了土壤微生物生長(zhǎng)，顯著提升了根系中微生物生物量和生長(zhǎng)潛能。特殊生態(tài)條件包含根系分泌物和根系穿插、空腔系統(tǒng)。植物作為第一生產(chǎn)者，將光合作用產(chǎn)物以根系分泌物和植物殘?bào)w形式釋放到土壤中，為根系微生物提供碳源和能源。另外根系穿插和植物空腔系統(tǒng)，使根系通氣條件和水分情況優(yōu)于根系外。

第4頁(yè)不一樣根系微生物種群大小、活性、種類也是不一樣。以農(nóng)作物為例，不一樣種類作物，微生物種群含有顯著差異。如表1所表示。第5頁(yè)1.3生理生化特征

根系微生物與根系分泌物之間是相互作用關(guān)系。根系分泌物經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)趨化來(lái)促進(jìn)或抑制微生物生長(zhǎng)，根系微生物經(jīng)過(guò)改變植物代謝過(guò)程中細(xì)胞滲透壓、酶活性以及其它成份與植物體相互作用。根系微生物消耗分泌物中有機(jī)物質(zhì)和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素形成濃度梯度，直接間接促進(jìn)根系分泌物產(chǎn)生。當(dāng)根系受到細(xì)菌、病毒感染時(shí)，根系分泌物中代謝產(chǎn)物會(huì)因?yàn)槭艿酱碳ざl(fā)生對(duì)應(yīng)改變。微生物分解出一些含有解毒效應(yīng)物質(zhì)，破壞污染物結(jié)構(gòu)，降解污染物，或減輕其毒性。另外，根系微生物還能夠?qū)⒅参餆o(wú)法利用分子態(tài)氮磷營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)變成可給態(tài)養(yǎng)分，防止了重施氮磷而引發(fā)環(huán)境問(wèn)題。第6頁(yè)2.應(yīng)用于有機(jī)污染物修復(fù)

有機(jī)污染物是土壤、水體和大氣中常見(jiàn)污染物，有機(jī)污染物降解是污染治理和環(huán)境修復(fù)首要污染物種類。劉世亮等研究植物根菌真菌對(duì)苯并[a]芘污染降解，將根菌真菌接種到溫室盆栽，90d后發(fā)覺(jué)，根菌真菌對(duì)B[a]P降解有顯著效果。李朝霞經(jīng)過(guò)模擬自然條件用蘆葦濕地根系微生物來(lái)降解濃度在120mg/L以下對(duì)氯苯包含對(duì)氯苯胺、對(duì)氯苯酚和對(duì)氯甲苯，降解至12d時(shí)，降解率基本到達(dá)最大，分別為79.8%、80.3%和78.75%。Singer等試驗(yàn)后發(fā)覺(jué)黑芥根系分泌物能促進(jìn)PCB降解菌生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)九周后，6cm厚上層土壤中61%PCB被去除。第7頁(yè)為了強(qiáng)化植物修復(fù)和污染控制效果，經(jīng)過(guò)接種優(yōu)勢(shì)菌種以強(qiáng)化根系微生物污染物降解和凈化效果。Leyval等將VA菌根真菌接種到多環(huán)芳烴加富土壤，發(fā)覺(jué)污染物濃度在菌根菌接種土壤遠(yuǎn)低于未接種土壤。Volante等研究了菌根真菌對(duì)單環(huán)芳烴降解情況，將3個(gè)VA菌根真菌接種到菲蔥，16d后經(jīng)過(guò)比較，發(fā)覺(jué)對(duì)照植物中仍有75%-95%單環(huán)芳烴殘留，接種植物中降低到了2%-40%。第8頁(yè)對(duì)石油污染土壤修復(fù)

利用油田石油開(kāi)采區(qū)污染土壤作為供試土壤,選擇紫花苜蓿和披堿草為供試植物,經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)根系微生物活性、石油烴降解效率等指標(biāo),建立植物根際微生態(tài)環(huán)境生物和非生物因子之間量化關(guān)系,揭示污染土壤石油烴降解效應(yīng)和影響要素。研究結(jié)果表明,植物根系可改進(jìn)污染土壤持水能力和微生物活性,與無(wú)根系土壤相比,提升含水率達(dá)10%。植物根系微生物數(shù)量高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí),FDA(熒光素雙醋酸酯)活性高出0.29～0.36。經(jīng)過(guò)150d降解,植物根際油污土中石油烴降解率比無(wú)根系土壤高9.1%～15.5%。污染土壤植物根系微生態(tài)環(huán)境對(duì)微生物活性含有誘導(dǎo)作用,有利于石油烴降解和污染土層生物修復(fù)。第9頁(yè)

近些年來(lái)，轉(zhuǎn)基因技術(shù)也應(yīng)用到有機(jī)污染物修復(fù)中，即把一些有用基因?qū)氲礁滴⑸铮谏锓乐魏陀袡C(jī)物污染修復(fù)中發(fā)揮巨大作用。據(jù)工程研究表示將含有調(diào)整高基因表示水平中華根瘤菌nodbox4因子與伯克霍德氏菌克隆bph基因操縱子融合，再倒入熒光假單胞菌株Ｆ113基因組，發(fā)覺(jué)此工程菌含有很高生物修復(fù)潛力，對(duì)多氯聯(lián)苯降解基因表示水平高，比單一熒光假單胞菌株F113降解效果好。共表示大豆CYP71A10和P450還原酶基因煙草植株能夠提升20%-23%苯尿型除草劑降解能力。第10頁(yè)3.應(yīng)用于重金屬修復(fù)

經(jīng)過(guò)微生物胞外沉淀和絡(luò)合、細(xì)胞內(nèi)束縛及轉(zhuǎn)化、吸收等作用，能改變重金屬移動(dòng)性和毒性，或轉(zhuǎn)變其化學(xué)形態(tài)等活動(dòng)，其共代謝產(chǎn)物還能再沉淀、螯合重金屬物質(zhì)。根系微生物分泌表面活性劑，有機(jī)酸、氨基酸酶等能夠提升重金屬生物有效性，促進(jìn)植物吸收重金屬。

利用植物對(duì)環(huán)境介質(zhì)中重金屬進(jìn)行原位生物修復(fù)，使位點(diǎn)破壞到達(dá)最小，降低運(yùn)輸費(fèi)，與其它物理化學(xué)方法結(jié)合，最少能夠降低50%～70%降解速度和費(fèi)用。不過(guò)因?yàn)橹参飩€(gè)體小，生長(zhǎng)速度慢，治理時(shí)間長(zhǎng)。第11頁(yè)

Sheng等發(fā)覺(jué)將含有表面活性劑功效桿菌Ba-cillussp。J119接種到50mg/kgCd處理土壤中后，玉米等植物地上組織中Cd濃度增加了40%-70%。Braud等經(jīng)過(guò)分析發(fā)覺(jué)Cr和Pb可交換分?jǐn)?shù)與產(chǎn)生含F(xiàn)e細(xì)胞微生物間存在正向關(guān)系。這意味著能夠利用微生物中鐵細(xì)胞，提升其它金屬移動(dòng)性，加速重金屬被植物體吸收、富集等。根系微生物對(duì)于提升金屬生物有效性也是有特異性，Tiwari等研究發(fā)覺(jué)，在粉煤灰土壤中，細(xì)菌菌株能夠提升Fe、Zn、Ni等生物有效性，卻降低了Pb、Cr、Cu有效性。第12頁(yè)魚(yú)腥草對(duì)土壤中鎘富集及根系微生物促進(jìn)作用經(jīng)過(guò)采集自然條件魚(yú)腥草和未受污染土壤在試驗(yàn)室條件下培育以及利用鎘篩選培養(yǎng)出土壤菌懸液研究了魚(yú)腥草對(duì)土壤中鎘富集作用以及經(jīng)過(guò)根系微生物處理后放線菌對(duì)富集后轉(zhuǎn)移促進(jìn)作用。結(jié)果如表2，表3。第13頁(yè)第14頁(yè)依據(jù)以上結(jié)果表明，魚(yú)腥草對(duì)土壤中鎘很強(qiáng)富集作用，培養(yǎng)8周后魚(yú)腥草體內(nèi)含鎘216.9mg·kg-1，相比于培養(yǎng)前平均4.15mg·kg-1而言，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了50余倍。根系微生物（主要是放線菌）對(duì)鎘在魚(yú)腥草體內(nèi)分布起了很主要作用，它加強(qiáng)了鎘在魚(yú)腥草地上部分布，就更有利于超富集植物后續(xù)處理；而且當(dāng)土壤中鎘濃度越高，這種作用越顯著。第15頁(yè)依據(jù)污染物特征和污染程度，將人工培育好以污染物為降解底物微生物以固定化形式或微生物菌劑形式加入污染環(huán)境介質(zhì)中，以強(qiáng)化微生物預(yù)處理方式修復(fù)重度污染介質(zhì)，隨即將一些耐污植物植入環(huán)境污染介質(zhì)中，以增強(qiáng)污染介質(zhì)中溶解氧（DO）量和微生物種群數(shù)，以人工培育微生物和植物根系微生物聯(lián)合方式對(duì)污染介質(zhì)進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)和處理。所以，我們需要做工作是找到生長(zhǎng)快速、金屬耐受、根系系統(tǒng)發(fā)達(dá)、生物量大植物來(lái)進(jìn)行修復(fù)，而且在修復(fù)中必須綜合考慮各種原因，才能到達(dá)最好效果。第16頁(yè)4.用于去除氮素污染物氮素污染物是各種環(huán)境介質(zhì)中存在污染物，利用大型植物或大型水生植物修復(fù)各種環(huán)境介質(zhì)中氮素污染物成為研究熱點(diǎn)。氮素污染物去除經(jīng)過(guò)硝化作用和反硝化作用而實(shí)現(xiàn)，在植物根系恰好存在能夠供硝化作用和反硝化作用微環(huán)境。利用根系微生物對(duì)提升固氮能力，發(fā)揮土壤潛在肥力，刺激植物生長(zhǎng)，降低環(huán)境污染危害方面有主要意義。在植物根系附近因?yàn)檠鯕獬浞中纬珊醚鯀^(qū)使硝化菌群（硝酸菌和亞硝酸菌）強(qiáng)勁生長(zhǎng)，并將大量氨氮類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮物質(zhì)；而在距離植物根系較遠(yuǎn)地方形成缺氧或厭氧區(qū)域，使擴(kuò)散到這些區(qū)域硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)鈴耐寥乐幸莩?，其中植物分泌有機(jī)物或土壤中有機(jī)物成為反硝化作用碳源。第17頁(yè)楊銀科等以西安市某高校校區(qū)人工湖富營(yíng)養(yǎng)化水體為對(duì)象，利用最正確投菌濃度3.2×105cfu/ml枯草芽孢桿菌降解水中氮素，5d后經(jīng)檢測(cè)發(fā)覺(jué)修遠(yuǎn)湖總氮去除率到達(dá)75%。萬(wàn)玉文研究了在雙碑村濕地模擬不一樣水深處理下底泥氮磷釋放對(duì)上覆水水質(zhì)影響，因?yàn)橄趸聪趸饔檬菨竦厝サ饕窂剑囼?yàn)后發(fā)覺(jué)底泥在上覆水深為25、45cm條件下，24-120h內(nèi)總氮濃度呈直線下降。第18頁(yè)因?yàn)橹参镄迯?fù)含有費(fèi)用低，降解速率