壬基酚-镉复合污染土壤中微生物强化植物修复壬基酚的作用机制研究

Cadmium(Cd)-Nonylphenol(NP) is one of the most common types of combined pollution in soil. Both pollutants are highly toxic to organisms and human beings. Plants can effectively remove organic contaminants, but in the case of combined pollution, the removal efficiency of organic pollutants will be influenced by coexisting heavy metals. Microbes could facilitate plants’ removal of pollutants through transforming heavy metals, which results in reduced toxicity of heavy metals and improved plant survival and growth rate. This study aims to investigate the removal efficiency of NP by plants-perennial ryegrass, under the presence of 1 type of microbe which has comparatively high degradation efficiency of NP and high resistance to Cd. Experiments will be conducted to investigate the removal efficiency of NP by plant, the cumulative effect within plant, as well as the morphological changes of Cd within soil. The metabolic pathways and degradation mechanism of NP will also be analyzed. The parameters, including activity of soil, the metabolic function diversity of microbial community, changes of soil bacterial community structure and exogenous microorganism quantity and activity will be analysed. Therefore, the reinforcement mechanism of phytoremediation compound pollutants by microbes will be thoroughly studied using comparative, correlation and trend analysis methodology from the perspectives of soil chemical behavior and microbial community.

镉（Cd）-壬基酚（NP）是土壤中常见的复合污染类型，两者均对生物和人体具有较强的毒性效应。植物能有效去除环境中的有机污染物，但环境中同时存在重金属时，有机污染物的去除效果会受到影响。环境某些微生物可降低重金属对植物的毒性效应，维护植物生长发育，进而促进植物对环境中有机污染物的去除。本项目拟选择能够修复环境中NP的植物——黑麦草，通过外源添加1株对Cd有耐受作用的NP高效降解菌，考察微生物强化作用下植物对复合污染中NP的去除效果；深入分析Cd的植物累积效应以及在土壤中的形态变化规律；明确NP的代谢途径和降解机理；研究土壤活性、微生物群落代谢功能多样性、土壤细菌群落结构变化以及外源微生物数量和活性等指标，利用比较分析、相关分析、趋势分析等方法，从土壤化学行为和微生物群落差异两方面揭示Cd-NP复合污染土壤中微生物强化植物修复NP的作用机制。

本项目选择耐受性较好的植物——黑麦草，通过外源添加1株NP高效降解菌——铜绿假单胞菌（P. aeruginosa），研究微生物强化作用下黑麦草对复合污染物的修复效果。分别采用水培和盆栽实验，利用比较分析、相关分析、趋势分析等方法，从污染物的化学行为和微生物群落差异两方面揭示Cd-NP复合污染环境中微生物强化植物修复污染物的作用机制。水培实验结果表明：（1）P. aeruginosa对Cd有较好的耐受性和吸附能力。低浓度NP对菌株吸附Cd的抑制作用较小，高浓度NP时抑制作用较大。菌体表面的羟基O-H键、酰胺C-N键和N-H键和氨基均参与吸附反应，并且高浓度NP对菌体表面基团活性影响较大，从而影响其对Cd的吸附。（2）低浓度的Cd对菌体降解NP有促进作用，而对胞内酶降解NP无显著性影响；（3）NP 浓度对植株地下部分Cd吸收量有极显著影响，转移系数随着NP 浓度增大而上升。低浓度Cd2+的加入对黑麦草去除NP无显著性影响，而高浓度Cd的加入对黑麦草吸收和降解NP均有极为显著的抑制作用。盆栽实验结果表明：（1）P. aeruginosa能促进土壤中NP的降解并显著提高黑麦草吸收土壤中Cd的能力。土壤中脲酶、多酚氧化酶和脱氢酶的活性提高与土壤微生物丰度的升高有关，这三种酶的活性呈显著正相关。NP的去除率随着土壤中脲酶和多酚氧化酶活性的提高显著上升。微生物群落结构分析结果表明, P. aeruginosa可以改变土壤中优势微生物组成，部分有益微生物丰度的变化可能是提高黑麦草修复NP-Cd复合污染土壤的效率的关键.（2）外源Se的施用提高了黑麦草对土壤Cd和NP的修复效果。Se增加了NP-Cd污染土壤中有益菌的相对丰度。（3）添加P. aeruginosa可以提高黑麦草对NP和Cd的去除率，而Se的补充进一步增强了去除效果。添加P. aeruginosa和硒，改变了土壤酶活性，也影响了土壤中微生物群落的变化趋势。综上所述，在土壤中施用硒有效地提高了对NP和Cd污染土壤的植物修复效果，同时也增加了NP-Cd污染土壤中微生物的相对丰度和多样性。这为有机物和重金属共污染土壤的植物修复方法提供可行性。