土壤-植物-微生物系统中毒害污染物的界面过程与生物修复机理

Soil-plant-microbe system is a critical live system of substance transformation and energy exchange in the terrestrial ecosystem. It plays an important role in controlling the interfacial reaction, partition, transfer, accumulation, transformation and bioremediation processes and efficiency of the toxic pollutants. It has been an important frontier issue in the field of international environmental science and remediation technology to study the interfacial processes and bioremediation mechanisms of toxic pollutants in soil-plant-microbe system. The soil types with distinctive properties, the functional plants and microbes and the toxic pollutants including cadmium, organoarsenic, and polychlorinated biphenyls are selected to conduct this study. Advanced techniques such as synchrotron radiation, cross flow-filter field, donnan membrane technique, stable isotope probe, genome shuffling are to be applied to study the following four aspects in the soil-plant-microbial systems: (1) binding mechanisms and releasing kinetics of the pollutants in soil solid components-solution interface; (2) transfer and hyperaccumulation processes of pollutants in soil-root-microbe interface; (3) mechanisms of Rhizobia enhanced rhizosphere remediation of PCBs by legumes; (4) coupling remediation of organoarsenic pollution by microbial degradation and phytoremediation. The results of the study will be helpful to reveal the interfacial processes and bioremediation mechanisms of the typical pollutants in the soil-plant-microbe systems, which will provide the theoretic basis and technical principles for ecological risk assessment and bioremediation of combined polluted soils in China.

土壤-植物-微生物系统是陆地表层系统物质转化与能量交换的临界活系统，决定着毒害污染物的界面反应、分配、传递、积累和转化等过程，并控制其生物修复进程与效率。研究土壤-植物-微生物系统毒害污染物界面过程与生物修复机理是国际环境科学与修复技术研究领域前沿的重要课题。本项目选择不同性状的土壤类型和不同功能的植物和微生物种类，以镉、有机胂、多氯联苯等毒害污染物为研究对象，采用同步辐射、错流-过滤分离、道南膜、稳定同位素探针、基因组重组等先进方法技术，重点研究土壤-植物-微生物系统中污染物的土壤/组分-溶液界面结合机制与释放动力学、土壤-根-微生物界面传递及超积累过程、根瘤菌强化豆科植物根际修复机理、微生物降解与植物超积累协同修复机理等，旨在揭示典型土壤-植物-微生物系统污染物的界面过程与生物修复机理，为我国复合污染土壤的生态风险评估和生物修复提供理论依据与技术原理。

本项目选择不同性状的土壤类型和不同功能的植物和微生物种类，以镉、多氯联苯、二苯砷酸等毒害污染物为研究对象，围绕土壤-植物-微生物界面过程与生物修复的研究主线，阐明了土壤-植物-微生物系统中污染物的土壤/组分-溶液界面结合机制与释放动力学特征，揭示了污染物在土壤-根-微生物界面的传递及超积累过程，发展了根瘤菌强化豆科植物根际修复多氯联苯的分子机理，提出了微生物降解与植物超积累协同修复有机砷污染的新途径。. 研究的主要创新性成果包括：1）利用优化的原位道南膜技术和平面光极技术揭示了氧化还原过程中水稻土根际重金属溶解度与水稻吸收转运重金属的关系，提出了锌镉超积累植物伴矿景天根际pH时空变化及其对Cd吸收的影响；利用非损伤微测技术阐明了伴矿景天根际微区对Cd的吸收途径与机制；率先阐明了氮素形态对超积累植物伴矿景天吸收转运镉的影响机制，揭示了伴矿景天不同组织中重金属的微区分布特征，发展了锌镉污染土壤的伴矿景天连续吸取修复及其与植物促生菌的协同修复原理。2）系统阐明了游离态中华苜蓿根瘤菌对多氯联苯的降解动力学特征、代谢产物与关键功能酶；揭示了多氯联苯在紫花苜蓿-根瘤菌共生体不同部位的积累与分布特征；结合稳定性同位素探针技术提出了根瘤共生固氮耦合还原脱氯的分子机制，发展了根瘤菌强化豆科植物共生修复多氯联苯污染土壤的新思路。3）利用同步辐射技术揭示了二苯砷酸在不同类型土壤颗粒和土壤矿质胶体表面的吸附与分子结合特征，阐明了功能菌株紫金牛叶杆菌RC6b对二苯砷酸的降解动力学特征及其代谢产物，通过化学诱变和基因组重排技术强化了RC6b对二苯砷酸的降解能力，发展了二苯砷酸污染土壤的微生物降解—超积累植物吸收协同修复新原理。. 相关研究成果不仅在土壤-植物-微生物系统中毒害污染物的界面过程与生物修复机理等方面取得重要的理论成果，也为我国乃至全球复合污染土壤的生态风险评估和生物修复提供了宝贵的种质资源、科技支撑与决策依据。