黄土高原地区土壤石油污染状况及生物修复技术研究进展

概述了黄土高原地区土壤石油污染状况及近年来该区油污土壤生物修复的研究进展,分别对微生物、植物及微生物-植物联合修复方法进行综述,强调生物强化技术在生物修复中的突出地位及植物-微生物联合修复方法的应用潜能。由于石油污染物的复杂性,现存技术在实际修复中效果并不明显,提出运用分子生物学技术研究酶功能基因、将代谢组研究融入油污土壤的修复、深入探究植物根际分泌物与微生物作用及菌根真菌生物降解机制的建议,旨在对黄土高原地区石油污染土壤修复探究工作奠定理论基础,对促进黄土高原地区土壤的保护及可持续利用具有重大意义。     

油污胁迫下土壤微生物群落结构对外源施用玉米秸秆生物质炭的响应

[目的]分析外源施用玉米秸秆生物质炭对石油污染土壤酶活性和微生物群落结构的影响方式,旨在为黄土高原陇东地区油污土壤生态修复提供新的土壤调理剂。[方法]对轻度(5%)和重度(20%)油污土壤分别实施了玉米秸秆生物炭(B)、金盏菊(J)和金盏菊+玉米秸秆生物炭(JB)3种处理方式,采用常规方法测定了不同处理组间土壤总石油烃(TPH)去除率、酶活性和土壤微生物群落结构。[结果]①轻度污染时土壤总石油烃(TPH)去除率为JB_5(61.95±1.39%)最高,重度污染时为JB_(20)(56.44±1.89%)最高(p0.05);②外源施用玉米秸秆生物质炭能有效增加轻重两种油污浓度的土壤脱氢酶和多酚氧化酶活性;③油污浓度由5%增至20%,两种生物质炭参与的处理组(JB_(20)和B_(20))土壤微生物群落结构组成差异相对较小(p0.05);④非度量多维尺度(NMDS)分析结果显示,土壤脱氢酶、多酚氧化酶、Chao1指数和Shannon指数是驱动J_5,B_5,B_(20),JB_5和JB_(20)处理组土壤微生物群落结构分异于CK_5,CK_(20)和J_(20)处理组的主要环境因子。[结论]轻重两种油污浓度胁迫时外源施用玉米秸秆生物质炭可显著增加土壤脱氢酶和多酚氧化酶活性,驱动土壤微生物群落结构变化,从而提高了土壤TPH去除率,因此陇东黄土高原地区油污土壤场地生态修复时可选用玉米秸秆生物质炭作为土壤调理剂。     

黄土高原沟壑区人工沙棘林生长年限对土壤微生物组成的影响

为了认识土壤微生物在不同生长年限沙棘林中的地位和作用，利用“平板培养法”和常规方法，研究了不同生长年限人工沙棘林土壤微生物三大类群组成和土壤养分的变化情况，并以系统聚类及主成分分析（PCA）等方法进行数据分析。土壤微生物总数量及三大类群数量以7 a 林最高（493．87×105 cfu?g －1干土），10 a 林（358．77×105 cfu?g －1干土）和15 a 林（321．69×105 cfu?g －1干土）最低且相互之间无显著性变化（P＜0．05）；土壤微生物三大类群中，土壤放线菌数量对 Shannon －Wiener 指数的大小变化起着较大作用；依据可培养微生物组成，4组样地可划分为3个类群，生长年限对土壤微生物组成的作用明显，且人工沙棘林生长年限超过10 a ，其土壤微生物数量已接近于撂荒地。土壤微生物组成与人工沙棘林生长年限关系密切且具有其独特的规律及变化原因。     

陇东黄土高原地区石油污染土壤微生物群落及其与环境因子的关系

为了认识和评价石油开采对陇东地区土壤环境的影响,采用平板培养和多元分析法研究了不同石油污染程度下的土壤微生物群落特征及其与土壤环境因子的关系。结果显示:(1)微生物3大类群的数量以距污染源30m的样地S1-3最高,200m的S7-9次之,100m的S4-6最低;放线菌数量变化对Shannon—Wiener指数影响较大。(2)土壤有机质、含油量、含盐量、速效磷均为S1-3最高,S4-6次之,S7-9最低;土壤pH值、碱解氮及速效钾含量均以S7-9最高,S4-6次之,S1-3最低。(3)PCA结果显示TPHs含量在8种环境因子中作用最大,其含量的上升导致了土壤含盐率、有机质和速效磷的增加,进而影响到了土壤含水量、pH值、土壤细菌、放线菌、微生物总数及其他环境因子。研究表明,陇东黄土高原地区开展生物修复石油污染时,应充分开发利用土壤细菌及放线菌资源,并外源投加N,K等营养元素,从而刺激土著石油降解菌的生长,进而提高石油烃的降解效率。     

非洲菊对陇东地区油污土壤的生态修复

为评估非洲菊(Gerbera jamesonii)在陇东地区对石油污染物生物降解的潜力,研究植物应对不同油污浓度胁迫的生长和根际土壤环境响应,本研究分析了非洲菊应对4种油污浓度(1%、3%、5%和7%)胁迫时的植物生长指标、土壤环境指标以及土壤总石油烃(total petroleum hydrocarbons,TPH)、烷烃和芳烃的降解率和降解速率。结果显示:1)土壤TPH、烷烃和芳烃降解率随油污浓度的增加而逐步降低,但其降解速率在油污浓度为5%时最高;2)非洲菊株高、根长和出苗率均随油污浓度的增加而逐渐降低(P<0.05),重度污染(7%)对其地上部生物量有显著抑制作用(P<0.05),而中度污染(3%和5%)对其地上部和地下部生物量有显著促进作用(P<0.05);3)当油污浓度<5%时,非洲菊通过增加土壤脱氢酶、地下部及地上部生物量和土壤微生物多样性来提高土壤TPH降解率,且非度量多维尺度(non-metric multidimensional scaling,NMDS)分析结果显示,植物生物量、土壤酶活性和微生物特性的彼此间共同效应是决定土壤TPH降解率的主要环境因素,而重度污染对非洲菊植物体生物量的抑制作用是导致其土壤TPH降解率显著降低的关键因素。综上所述,5%油污浓度应设为非洲菊耐受力阈值浓度,且在该浓度下非洲菊可确定为具备油污土壤修复潜力的良好植物品种。     

陇东地区油污土壤紫花苜蓿(Medicago sativa)和金鸡菊(Coreopsis lanceolata) ——植物修复效应比较

对陇东黄土高原地区油污土壤紫花苜蓿（Medicago sativa）和金鸡菊（Coreopsis lanceolata）植物修复效应进行分析比较。经5个月场地修复试验,相关植物生理、土壤理化及微生物指标分析结果表明：（1）金鸡菊和紫花苜蓿根区土壤总石油烃（Total Petroleum Hydrocarbons, TPH）去除率最高可达75.33%和69.88%;(2)7%和9%油污土壤对金鸡菊生理特性的抑制作用相对较小,且其根区土壤p H、脲酶和碱性磷酸酶活性显著高于紫花苜蓿（P<0.05）;(3)金鸡菊根区土壤中食烷菌属（Alcanivorax）、嗜盐单胞菌（Halomonas）和类诺卡氏菌属（Nocardioides）等相对丰度显著高于紫花苜蓿（P<0.05）;(4)油污浓度增加抑制了紫花苜蓿植物生理进而限制其根区TPH去除率,而土壤理化和微生物的共同作用使得金鸡菊根区土壤TPH去除率高于紫花苜蓿。     

黄土高原沟壑区不同杏树嵌套种植模式对土壤微生物组成的影响

[目的]研究黄土高原地区土壤微生物群落结构及其主要生理类群在杏树不同嵌套种植模式中的地位和作用。[方法]用"平板培养法"和常规方法,研究了不同嵌套模式下土壤微生物三大类群、主要功能群组成、土壤全氮及有机质含量的变化,并以系统聚类及主成分分析(PCA)等方法进行数据分析。[结果](1)土壤微生物总数量及三大类群数量以杏树与紫花苜蓿的嵌套模式最高(p0.05),杏树嵌套黄花菜和紫花苜蓿次之(p0.05),其余嵌套模式间无显著性变化(p0.05);(2)在杏树和紫花苜蓿的模式中土壤固氮菌数量、氨化细菌和纤维素分解菌数量最高(p0.05),杏树和黄花菜和紫花苜蓿嵌套模式次之(p0.05);(3)土壤微生物三大类群中,土壤放线菌数量对Shannon—Wiener指数的大小变化起着较大作用;(4)依据可培养微生物组成,5种嵌套模式可划分为3个类群,嵌套植被对土壤微生物组成的影响不同,紫花苜蓿对土壤微生物学性质的作用更强。[结论]杏树在不同嵌套种植模式下土壤微生物群落结构组成与嵌套植被类型关系密切且具有其独特的规律及变化原因。     

4种适生植物对陇东地区油污土壤场地生态修复的响应

[目的]选取陇东黄土高原地区4种本地植物作为试验材料,进行了为期3个月的场地生态修复工程,旨在为该地区开展油污土壤植物场地生态修复技术提供新的植物品种和基础数据参考。[方法]采用常规方法测定了不同油污浓度胁迫下受试植物根际土壤总石油烃(TPH)降解率、降解菌数量及部分生长指标在不同油污浓度胁迫时响应情况。[结果](1)紫花苜蓿和金盏菊根际TPH降解率在轻度污染时相对较高,而重度污染时菊科植物显著高于豆科植物(p0.05);(2)油污浓度增加可显著抑制菊科植物根长以及豆科植物根际石油降解菌数量(p0.05),亦对紫花苜蓿地上部干重及金盏菊地下部干重和株高则有显著促进作用(p0.05);(3)方差分解结果显示:石油降解菌数量×TPH转移效率以及植物生长指标×石油降解菌数量的交互作用是决定两种菊科植物TPH降解率的关键因素。[结论]4种适生植物各项指标对陇东地区油污土壤场地生态修复的响应方式因种而异,而两种菊科植物油污耐受性和修复效果相对较好,因此在该地区具备一定的应用潜力。     

陇东黄土高原油污土壤环境因子对场地生态修复的季节响应

[目的]探讨陇东黄土高原地区油污土壤场地修复过程中土壤环境因子对季节变化的响应机制,为油污土壤植物微生物联合生态修复的推广应用提供参考。[方法]利用陇东适生植物"金盏菊"联合土著石油降解菌剂开展为期285d的场地原位修复试验,采用常规方法测定不同季节土壤理化特性、酶活性和微生物群落特性等环境指标。[结果](1)场地修复过程中土壤TPHs降解率在夏(24.62%±3.96%)秋(29.93%±1.94%)两季明显高于春(3.82%±0.91%)冬(9.24%±0.87%)两季;(2)季节变化和强化处理对油污土壤酶活性和理化特性存在显著交互效应(p0.05)。土壤pH值、含盐率和有机质含量在秋季明显降低(p0.05),而土壤速效养分均在夏秋含量最高(p0.05);(3)春季土壤微生物群落Evenness指数偏低(p0.05),夏季Richness指数明显增加(p0.05),Shannon-Wiener指数在夏秋两季明显高于其他季节(p0.05);(4)NMDS排序结果显示,夏秋两季分异于其他季节主要与土壤微生物群落Richness指数(r2=0.706 3,p=0.002)和速效磷(r2=0.615 7,p=0.005)有关;(5)低温季节影响土壤TPHs降解率的因素主要是土壤理化特性和土壤酶活性的叠加效应(54%),而夏秋两季土壤理化特性、土壤酶活性和土壤微生物特性三者的共同作用可解释土壤TPHs降解率变异的74%。[结论]土壤微生物群落Evenness指数和土壤酶活性偏低是造成春冬两季土壤TPHs降解率偏低,而土壤微生物群落ShannonWiener指数、Richness指数、速效磷含量和生物强化处理有效化水平是陇东地区夏秋两季土壤TPHs降解率明显增加的主要环境因素。