重金属镉对土壤微生物活性影响的研究(环境科学专业优秀论文)

来源:互联网 编辑: 张倩 手机版

摘 要 土壤是人类赖以生存的最重要的自然资源之一,对生态环境质量和人类健康都有着 重要意义。随工业的发展和农业生产的现代化,土壤的污染日益严重,其中,土壤重金 属污染是一个全球性的棘手问题。镉作为土壤重金属研究的对象之一,也是本文的研究 对象。在实验室条件下,进行了外源添加不同浓度的重金属镉对土壤生物活性和土壤酶 活性的影响研究。结果表明,重金属镉污染对不同的土壤生化过程具有不同效应,低浓 度镉的添加对土壤呼吸强度有一定刺激作用,高浓度则产生抑制作用。镉污染对土壤酶 活性的影响中,对土壤的脲酶活性有很显著的抑制作用,而对过氧化氢酶、磷酸酶等活 性影响较小。通过计数法测定镉污染土壤微生物,其数量明显减少。通过对土壤呼吸强 度、土壤酶活性、土壤微生物群落量的测定得出,由于土壤脲酶对不同浓度镉表现出强 烈的敏感性,用脲酶作为土壤Cd污染的评价指标和制定Cd的临界含量是可行的,可 为污水灌溉地区提供土壤中镉浓度的最高限值,保证污灌区的农作物食用安全和土壤的 可持续利用,对地区的经济发展和环境安全有重要意义。 关键词:镉污染;土壤呼吸;酶活性;微生物群落 AbStraCt Soil1s oneof important rcsourcewhichwecouldll’t liVe wimout,a11dit alsohaS importaIlt meaIling tothe qual时ofecology enViromentaIldInaIl’s health.Wimthe deVelopment of i11dustry and up-date of a鲥culture,tllep011ution insoilbecomesworse daily- The pollutedbyheaVy metalinsoilisa problem wllichall 910balpeople havetof犯e.Asone of heaVy metaliIl soil,cad芏11ium is alsomisanicle’sobject.Underthetestch甜nbercorldition, Westudiedwhat h印pencd tothesoil biologicalactivity觚d thesoil enzymeactivity ifwe addme heaVy metal cadIIli啪pollution ofdi伍棚tconcen仃:ltionto ex仃aneoussource.Theresult illdicated that tlle heavy metalcadrnjum pollution haS difrerent effects ondifrerentsoil bioche血cal processes,me lowerconcentrationofcadlniumwas help如l toincreasemostof thebiochemical processes,but me hi曲erconcentrations of c砌啪伊eatly inllibited 觚crobialactiVities.The cadIlli啪pollution haSsomeinnuencesonthesoil enzymeactiVity, andit 11as Ve巧remark a_ble i枷bitory actiontonlesoilurease activeness,but011ly haslittle iIlfluenceonOxidized hydrogeneIlzyrne and pho印hatase.We calculatedthe quantit)r ofcadIlli啪 pollution soil 111icrobebynotation,a11d t王1e quantity reduced obviously Testsofthesoilbreath intensity,thesoil enzymeaCtivity alldmesoilIIlicrobedete咖i删0nhaveshowntllatitis feasible thatureaseactiVeIlesscanbeusedast量1e eValuating indicatorofsoilCdpollution andthe碰ticalcontemof Cd,嬲the即z),I】∞ufease iIl soilisVeryseIlsitivetoCd晰thdiff咖t concentrations.n加日yproVide the hi曲estliIIli向g valueofⅡlecadIllium’sconcelltrationtothe sewageirrigationareas,讹ch 目lar觚teescrops therearesafet0eataIldsoilstherearesustainable.The study haSthevital si嘶ficaIlce tot11elocaleconoIIlical deVelopment andmeenViro衄ental saf.e吼 Keywords:CadIIli啪pollution;Soilbream;EnzymeaCtiV埘;MicrobialcommllI】itty II 知识水坝@pologoogle为您整理 独创性声明 本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。据我所知,除了特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体,均 已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:二毡兰名 日期: 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士学 位论文全文数据库》(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、《中国学位论文全 文数据库》(中国科学技术信息研究所)等数据库中,并以电子出版物形式出版 发行和提供信息服务。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:~圣z叁多 指导教师签名: 星圭 日 期:厶丘g..笠,3口 日 期:2阳星。丘。丕 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话:-- 邮编:-- 知识水坝@pologoogle为您整理 东北师范大学硕士学位论文 引 言 土壤是人类的衣食之源和生存之本,即使是现代经济生活中,土壤依然是最基本的 生产要素和各种经济关系的载体。但随着现代经济的高速发展,人类的生产和生活活动 向土壤中施用了大量的农药和化肥,排放了大量的工业与生活废弃物,虽然这可以提高 农产品产量,同时也解决城市垃圾和工业污水排放的问题,但由于土壤的自净能力有限, 当污染物含量超过了土壤容量时,就造成了对生态环境和人类健康的影响,甚至威胁着 人类生存【l】。目前,国内外对土壤重金属污染、有机物污染、生源要素污染及其相应的 生态风险评价等诸多研究成为全球环境问题研究的热点内容。 随着工业的发展及城市化程度的不断提高,河流污染日益加重,清洁水资源日趋紧 张。水资源的匮乏,使污水成为农业灌溉用水的重要组成部分。污灌是指利用未经处理 或处理不达标的工业废水或城市生活污水以及利用受到污染的河水进行农业灌溉的活 动12J。新中国成立以后,人口的增加以及农业生产规模的不断扩大,使农业生产对水资 源的需求不断增加,天然地表水资源难以满足农田灌溉的需求。20世纪80年代初,我 国在全国范围内开展了首次污灌区灌溉水和土壤质量的调查,共调查37个灌区,面积 38万公顷。结果发现,我国污灌区受重金属污染的面积占了污灌总面积的64.8%,以 Cd和Hg的污染面积最大,问题最突出。主要原因是污灌水中的Cd、Hg浓度普遍超标 pJ。日本学者伊藤秀文等曾报道,当灌溉水中Cd浓度只有O.01m∥L时,糙米也可浓缩 500倍的Cd,因此认为,即使水质标准为O.01m虮也可能引起土壤Cd污染【4J。我国废 水Cd的排放标准为0.10m∥L,灌溉水含Cd标准为O.05mg/L。此外,污水灌溉还有一 个负面效应,就是酸化土壤,酸化可促使Cd活化,使植物更易于吸收。可见污水灌溉 在解决了城市污水排放和农业生产用水来源的同时,也造成了污灌区土壤重金属超标等 问题【51。 工业水中含有多种污染物质,尤其是以铜、锌、镉、铬等为主的重金属污染物,长 期施用必然对土壤造成影响,为进一步研究土壤中重金属污染状况,本文选取了几种较 有代表性的指标一土壤酶、土壤基础呼吸和土壤微生物量的测定来探讨重金属的污染。 土壤微生物几乎参与土壤中的一切生物及生物化学反应,在土壤功能及土壤发育过程中 直接或间接地起重要作用,包括对动植物残体的分解、养分的储存转化及污染物的降解 等【6J。土壤酶是土壤生物化学反应的催化剂,参与了土壤生态环境中许多重要的代谢过 程,对土壤本身及农作物生长影响显著,是一种指示土壤污染状况的重要指标。本文通 过对重金属污染土壤进行采样和几种微生物学指标的测定,旨在探索重金属污染与土壤 微生物学指标的内在联系,为污染土壤的质量评价、生物治理及环境修复提供理论依据。 东北师范大学硕士学位论文 1.1镉的性质与危害 第一章 绪论 1.1.1重金属镉的一般特性 镉,元素符号Cd,原子序数48,原子量112.4,位于第五周期IIB族,原子半径 141皮米,第一电离能873千焦/摩尔,电负性1.69。微带蓝色的银白色金属,粉末状的 呈灰白色。较软,有延展性。密度8.65克/厘米3,熔点320.9℃,.沸点765℃,氧化数 +2。在空气中迅速生成一层氧化物薄膜并失去光泽,起保护作用。能溶于大多数酸中生 成镉盐。用于电镀、轴承,制低熔合金、硬焊合金,制电池、磷光体等。还用于原子反 应堆的中子吸收棒。1817年德国人斯特罗迈厄发现了镉。在自然界常与锌伴生,主要矿 石是硫镉矿CdS。工业上主要从锌冶炼的副产物中提取,属于无机有毒重金属类【71。 1.1.2镉与其他重金属相同的特性 ①金属有机态的毒性大:重金属大多数是过渡元素,化学活性较高,能参与多种反 应和过程。随环境的Eh、pH、配位体的不同,常形成不同的化合态和结合态,其毒性 也有很大差异。如六价铬毒性大于三价铬;二价汞毒性大于一价汞等等;金属有机态的 毒性大于无机态。如甲基汞的毒性大于氯化汞;二甲基镉的毒性大于氯化镉。 ②重金属产生毒性效应的浓度范围低,一般在1.10m班左右;毒性较强的重金属?汞、镉等则在0.001.O.01mj∥L左右。汞、镉、铅、铬、砷,俗称重金属“五毒”。它们的 毒性的阈值(对生物产生污染的最小计量)都很小【8】。 ③迁移转化形式多。重金属在环境中的迁移转化,几乎包括水体中己知的所有物理 化学过程,且具有可逆性,无论是形态转化或物相转化,都能随环境条件而转化。因此, 沉积的可再溶解,氧化的可再还原,吸附的也可再解吸,不过在特定的环境条件下,他 们又具有相对的稳定性【91。 ④生物摄取重金属是积累性的,各种生物尤其是海洋生物,对重金属都有较大的富 集能力,其富集系数可高达几十倍至几十万倍【lo】。因此,即使有微量的重金属存在,也 可能构成污染。 ⑤微生物不仅不能降解重金属,相反某些重金属可在土壤微生物作用下转化为金属 有机物,产生更大的毒性【111。同时重金属对土壤微生物也有一定的毒性,而且对土壤酶 的活性有抑制作用。 2 东北师范大学硕士学位论文 ⑥对人体的毒害是积累性的【12】。重金属摄入体内,一般不发生器质性损伤,而是通 过化合、置换、络合、氧化还原、协同或拮抗等化学的或生物化学的反应,影响代谢过 程或酶系统,所以毒性的潜伏期较长,往往经过几年或几十年才显示出对健康的病变。 研究表明重金属镉作为机体发育的非必需元素,很少的量进入人体即可通过生物放 大和生物积累作用,对人体产生一系列损伤,而且镉还具有一定的致癌和致突变性【13】。 另外,镉在体内的半衰期长达lO~35年,为已知的在体内蓄积的毒性较大的毒物。 1.1.3镉污染对人体的危害 镉及其无机化合物可经呼吸道和消化道吸收,不能经皮肤吸收。据估计,沉积在肺 中的氧化镉及可溶性镉盐约有50%可被吸收,并迅速转移至血液,其中约有2/3在红细 胞中与血红蛋白结合,血浆中镉只占血液中镉总量的l%.7%,镉主要贮存于肾和肝中, 贮存量约为体内总镉量的50%,其次为脾、胰腺、甲状腺、肾上腺和睾丸,而肾中镉约 占体内镉总量的1/3,而肾皮质中的镉含量约占全肾的1/3,镉在肝肾及其它组织主要与 金属硫蛋白结合,镉能诱导其合成,金属硫蛋白的合成可能与机体对抗镉离子毒性的防 御机制有关,镉不是人体的必需元素,人体内镉的含量与食物、水和其他环境中的镉的 吸收情况有关【14】。一般成年人体内有镉540毫克,血液中镉浓度在1微克/分升以下,毛 发中镉一般为0_一0.5微克/克。 镉排出很慢,在体内存留时间长,生物半衰期为10年以上。吸收后主要经尿排出, 少量随唾液、乳汁排出,无论经消化道或呼吸道吸收,长期过量吸收镉主要损害。肾小管 而干扰肾脏近端肾小管对蛋白质的吸收作用,引起蛋白尿、糖尿、氨基酸尿、尿钙及尿 磷增加尿蛋白的成分主要是低分子量蛋白。长期吸入镉尘或烟可损害肾和肺。镉主要损 害近端肾小管,刺激上呼吸道和引起肺气肿、肺纤维化。镉还可能直接引起心血管损害, 原发性高血压也与长期接触低浓度镉有关,国际癌症研究中心认为,镉是人类的致癌物, 可引起肺癌和肾癌。日本发现某些地区由于长期食用被污染的,含镉量很高的稻米和水 而发生骨痛病,主要病变为骨质疏松,严重时发生骨软化症,疼痛始于下肢,后遍及全 身,因多发性病理性骨骼变形,影响活动以致长期卧床、妊娠和哺乳期妇女内分泌失调 以及缺钙的人容易诱发本病,与镉有关的生物标志为:生物材料中镉浓度的测定有尿镉、 血镉、发镉;早期肾小管病变的检测指标有视黄醇结合蛋白尿酶等。 镉的吸收与代谢:职业性接触主要经呼吸道吸入,吸收率为10%~40%;非职业性 接触主要经消化道吸入,吸收率为5%。当体内钙及维生素D缺乏时,可使机体对镉的 吸收率增加。镉吸收入血液后,50%~90%存在于红细胞中,部分与血红蛋白结合,部 分与金属硫蛋白结合。镉进入人体后,分布于全身各个器官,有1/3~l/2蓄积于肝和肾。 东北师范大学硕士学位论文 1.1.4土壤重金属污染防治措施 我国污灌区受重金属污染的面积占污灌区总面积的64.8%,以Cd和Hg的污染面积最 大,问题最突出。关于土壤重金属污染物的研究,国外始于20世纪60-70年代,如 澳大利亚、美国、德国等国家对土壤重金属较深入,并取得了较为理想的成果。我国在 近20年内也进行也相关的研究,并取得了一定的研究成果,如提出研究土壤重金属的 生态效应、临界含量地带性分异规律和分区等。 (1)工程治理方法 工程治理是指用物理或物理化学的原理来治理土壤重金属污染。主要有:客土是在污 染的土壤上加人未污染的新土;换土是将以污染的土壤移去,换上未污染的新土(此法 仅适用于局部严重污染地段);翻土是将污染的表土翻至下层;去表土是将污染的表土 移去等。如日本富士县神通川流域的骨痛病发源地,就是由于长期食用含镉的稻米而引 发的,他们通过研究,去表土15cm,并压实心土,在连续淹水的条件下,稻米中镉的 含量小于0.4mg/l【g;去表土后再客土20cm,间歇灌溉稻米中镉的含量也不超标,客 土超过30cm,其效果更佳。此外淋洗法也是应用于工程上处理受重金属污染的土壤,它 是用清水淋洗液来淋洗污染的土壤,但要控制淋洗水量,使之不污染地下水。以上措施 具有效果彻底、稳定等优点,但有实施复杂、治理费用高和易引起土壤肥力降低等缺点。 (2)物理化学治理方法 常采用的物理及物理化学方法有热解吸法、电化学法和提取法等对于挥发性的重金 属,例如汞,采用加热的方法。对于粘性土壤中的铜、铬和砷,电化学方法效果较好。 提取法则是利用试剂和土壤中的重金属作用,形成溶解性的重金属离子或金属.试剂络 合物,最后从提取液中回收重金属,并循环利用提取液。但是物理及物理化学方法需要 大量资金,因此不适合发展中国家。 (3)生物修复技术 生物修复技术主要是利用特殊植物、动物和微生物来去除土壤中的重金属或降低重 金属的毒性。主要有:动物治理是利用土壤中的某些低等动物蛆叫、鼠类等吸收土壤中的?重金属:微生物治理是利用土壤中的某些微生物等对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原 等作用,减小植物摄取,从而降低重金属的毒性。如Ci仃0bactersp产生的酶能使U、 Pb,Cd形成难溶磷酸盐:原核生物(细菌、放线菌)比真核生物(真菌)对重金属更敏感,格 兰氏阳性菌可吸收Cd,Cu,Ni,Pb等。目前环境科学研究中最活跃的领域之一就是运 用遗传基因工程等生物技术来培育对重金属具有降毒能力的微生物,借此消除重金属对 土壤的污染。 目前植物修复技术是治理土壤重金属污染的一个重要方面,植物治理是利用某些植 物能忍耐和超量积累某种重金属的特性来清除土壤中的重金属。国际上常用的方法是种 植非食用植物,如繁育花木草皮,形成绿化带,这既美化了环境,又净化了土壤。重金 属的植物吸收、淋溶和无效态数量将只依赖于它们的有效态的多少,重金属溶液浓度和 4 东北9币范大学硕士学位论文 它们的土壤的有效态之间关系遵循Frellndlich吸附方程。超积累植物可吸收积累大量 的重金属,目前已发现400多种,超积累植物积累Cr,Co,Ni、Cu、Pb的含量一般 在O.1%以上,积累Mn,Zn含量一般在1%以上;印度芥菜可吸收Zn,Cd,Cu,Pb 等;印度芥菜可对Cr2+,Cd,Ni,Zn,Cu富集分别为58,52,31,17和7倍[40】;高杆 牧草能吸收Cu等;英国的高山莹属类等,可吸收高浓度的Cu,Co、Mn、Pb、Se、Cd、 Zn等。尽管找到了一些抗污染且能富集重金属的植物,但是它们的生物量低,修复重 金属污染需要的时间很长(百年以上),因此,在实际生产中还不能利用植物修复土壤?重金属污染。 (4)农艺修复技术 植物从土壤中吸收重金属很大程度上取决于土壤pH、氧化还原状况、质地、阳离 予代换量、土壤矿物组成等性质。因此,通过改变土壤的某些理化性状,即可达到降低 土壤重金属的目的。目前研究较多的是利用改良剂对土壤重金属的沉淀作用、吸附抑制 作用和拮抗作用,以降低重金属的扩散性和生物有效性。根据现阶段的技术水平和经济 条件,改良剂不失为一种治理重金属污染的有效措施。另外,因地制宜的改变一些耕作 管理制度也能减轻重金属的危害,在污染土壤上种植不进入食物链的植物。主要有:控制 土壤水分,是指通过控制土壤水分来调节其氧化还原电位(Eh),达到降低重金属污染的 目的;选择化肥,是指在不影响土壤供肥的情况下,选择最能降低土壤重金属污染的化 肥;增施有机肥,是指有机肥能够固定土壤中多种重金属以降低土壤重金属污染的措施; 选择农作物品种,是指选择抗污染的植物和不要在重金属污染的土壤上种植进入食物链 的植物,如在含镉100mg/kg的土壤上改种竺麻,五年后,土壤含镉平均降低27.6%[43]; 因地制宜地种植玉米、水稻、大豆、小麦等,水稻根系吸收重金属的含量占整个作物吸 收量的[44]58%.99%,玉米茎叶吸收重金属的含量占整个作物吸收量的20%-40%,玉米 籽实吸收量最少,重金属在作物体内分配规律是根>茎叶>籽实【451。 土壤重金属污染也是导致生态系统破坏的重要因素。合理的利用农业生态系统工程 措施,也可以保持土壤的肥力,改良和防治土壤重金属污染,提高土壤质量,并能与自 然生态循环和系统协调运作。如可以在污染区公路两侧尽可能种树、种花、种草或经济 作物(如蓖麻),种植草皮或观赏树木,移栽繁殖,不但可以美化环境,还可以净化土壤; 蓖麻可用作肥皂的原料。也可以进行农业改良,即在污染区繁育种子(水稻、玉米),之 后在非污染区种植;或种植非食用作物(高梁、玉米),收获后从秸秆提取酒精,残渣压制 纤维板,并提取糠醛,或将残渣制作沼气作能源。农业治理措施的优点是易操作、费用 较低,缺点是周期长、效果不显著。 (5)土壤中天然矿物治理重金属污染物新方法 土壤的主要矿物组成除粘土矿物外,还存在大量的天然铁锰铝氧化物及氢氧化物、 硅氧化物、碳酸盐、有机质硫化物等天然矿物。在国内外关于土壤重金属污染物防治途 径研究中,人们一直强调土壤自身的净化能力,但土壤自净化能力离不开土壤中矿物种 对重金属的吸附与解吸作用、固定与释放作用,土壤中具体矿物的净化能力才真正体现 土壤自身的净化能力和容纳能力。土壤中有毒有害元素含量的高低,并不是直接判定土 5 东北师范大学硕士学位论文 壤环境质量优劣乃至土壤生态效应的唯一标志,关键问题是要揭示这些重金属在土壤中 与各种无机物之间具有怎样的环境平衡关系。 在国内外为寻求地下水和土壤有机污染的修复方法而直接对土壤中多种粘土矿物 进行改性研究,即利用有机表面活性剂去置换天然粘土矿物中存在着的大量可交换的无 机阳离子,以形成有机粘土矿物,可有效截住或固定有机污染物,阻止地下水的进一步 污染,限制有机污染物在土壤环境中迁移扩散。但特别需要指出的是,在粘土矿物改性 过程中,其中的固定态重金属也一并被置换出来,导致土壤系统中业已建立环境平衡被 打破,使得土壤环境中解吸释放态重金属污染物总量大大增加。至此,土壤中重金属污 染物既来源于土壤中活动态的重金属,又来源于改性粘土矿物时被置换释放出来的重金 属。这些方法在实际工程中均已得到有效的应用。但具体应用哪一种方法需考虑具体情 况而定。如污水中镍的处理可选用物理化学方法。可在处理设施内投加碱性药品,提高 pH值;使污水中的镍金属在碱性条件下从污水中析出,并对其进行回收再利用。在防 止环境污染的同时,也提高了镍金属的利用率。处理后,在出水处再投加酸性药品使pH 值呈中性后排放。污水处理设施的容量大小应根据生产过程中的产生量和处理过程中的 水力停留时间而定。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究进展 国外学者研究表明,在土壤中加入微量的镉,能使土壤细菌数目由每克土壤 个减少为2000个。Mcgrath发现,长期受金属污泥污染的土壤,微生物生物量 有下降的趋势[”】。Kalndeler等研究表明污染矿区土壤中,靠近矿区土壤的微生物量明 显低于远离矿区的土壤,并且距离矿区越近,生物量的下降幅度越明显【l6】。杨元根等在 英国阿波丁山市的土壤调查中发现,城市工业污染区土壤的微生物生物量不同程度低于 农村¨71。Khall等试验研究了镉和铅对红壤中微生物的影响,当其浓度分别为30n∥g和 150吲g时导致生物量显著下降【18】。Nosir研究发现长期受工业废水污染的土壤,微生物 量远低于正常土壤。F1iebbach等的研究也表明,低浓度的重金属能刺激微生物的生长, 而高浓度则导致土壤微生物量碳的明显下降。在重金属复合污染的土壤中,当重金属总 量达到658m眺g时,生物量仅为对照的32%,当重金属总量达3446mg/l(g时,生物量 为对照的22%,生物量碳与土壤有机碳比值较对照下降35%。以上研究都说明了重金 属对土壤微生物的影响。 1.2.2国内研究进展 土壤重金属污染是指人类在活动中所产生的重金属,以“三废”的形式直接向土壤或 6 东北师范大学硕士学位论文 通过大气、水体和生物向土壤中排放和转化,当其数量超过了土壤的容纳能力和净化能 力时,引起土壤的性质、组成及性状等发生变化,使重金属的积累过程逐渐占优势,破 坏了土壤的自然动态平衡,从而导致土壤自然功能失调、土壤质量恶化、影响作物生长 发育、产品产量和质量下降,产生一定的环境效应;而污染了的土壤又向环境输出污染 物质,引起大气、水体和生物的进一步污染,从而使环境状况发生变化,环境质量下降, 造成环境污染fl9】。这只是一种定性的描述,由于土壤污染的复杂性,目前尚没有一个统 一的量化标准。但一般认为,土壤中污染物累积总量达到土壤环境背景值的2倍或3 倍标准差时,说明土壤中该污染元素或化合物含量异常,已属土壤轻度污染,它是土壤 污染的起始值;而当土壤污染物含量达到或超过土壤环境基准或环境标准时,说明该污 染物的输入、富集的速度和强度已超过土壤环境的净化和缓冲能力,应属重度土壤污染; 中度土壤污染则参照上述量化指标,根据土壤中污染物含量水平和作物生态效应相关性 再具体确定。 由于土壤的组成、结构、功能、特性以及土壤在环境生态系统中的特殊地位和作用, 使得土壤污染不同于大气和水体的污染,而要比它们复杂的多。土壤是植物,特别是作 物的生活环境,作为人类主要食物的粮食、蔬菜、家禽、家畜等农副产品,都直接或间 接来自土壤。污染物在土壤中富集必然引起食物污染,并进而危害人体健康。重金属是 农业土壤环境和农产品中的重要污染物。近20年来,国内外主要侧重于土壤中重金属 的环境化学行为,土壤中重金属的迁移、转化;农作物对重金属反应与抗性机理等研究。 90年代开始重视重金属超积累机理等方面的研究。从近年发表的有关研究报道来看,我 国各地普遍存在不同程度的镉污染问题。据报道,在1992年时全国已经有地区出现生产 “镉米”的现象,仅沈阳市张士灌区在用污水灌溉20多年后,被污染的耕地已多达 2533lun2。致使农产品遭受严重的镉污染,其中严重污染面积占13%,稻米中镉的浓度高达 0.4~1.Omg/kg(已超过诱发“痛痛病”的平均镉浓度O.2m虮),稻田土壤含镉5~ 7m眺g【201。 1.3选题的目的及意义 1.3.1选题的目的 随着现代工业的迅速发展,使人们不断地大量使用重金属及其化合物。其中有许多 是有毒有害的,如铅、汞、砷等,人们在获取成果和利益的同时,也将这些污染物带到 了环境中,造成水体、大气和土壤的污染。尤以镉污染的问题为重。据统计,我国镉污 染农田就超过1.09×10‰2【2l】。60年代于日本富山县爆发的“骨痛病”,其原因就是当地 居民长期食用了含镉废水污染土壤所产生的“镉米”所致。 前人的研究中发现,土壤微生物指标对重金属的敏感性有明显差异,如土壤的酶活 性是土壤理化性质和重金属共同作用的结果,因而能较好地表现土壤的污染状况。为进 7 东北师范大学硕士学位论文 一步研究土壤中重金属污染状况,本文拟通过几种有代表性的土壤酶(脲酶、过氧化氢 酶、磷酸酶),以及土壤基础呼吸、土壤生物量的测定来探讨重金属镉的污染,旨在探 索重金属污染与土壤微生物学指标的内在联系,为污染土壤的质量评价、生物治理及环 境修复提供理论依据。 1.3.2研究目标 土壤中重金属的毒性不仅取决于金属的有效性,也与土壤中的生物敏感性有关。土 壤微生物几乎参与土壤中一切生物及生物化学反应,在土壤功能及土壤过程中直接或间 接地起重要作用。土壤微生物包括土壤呼吸、土壤酶的活性以及土壤的微生物量等。 l、土壤微生物量:重金属随着污水进入土壤后,一方面,它的迁移转化受到土壤理 化性质的溶解和固定作用,另一方面,重金属受到微生物的溶解、吸收和富集作用,同时 也对微生物的生长、代谢产生影响。重金属的毒性不仅取决于金属的有效性,也与生物 的敏感性有关【22】。在土壤重金属含量处于一定范围内时,重金属含量的增加刺激微生物 的生长,当重金属含量达到一定阈值后,则抑制微生物的生长。土壤微生物在土壤功能 及重要土壤过程中直接或问接地起重要作用,包括对动植物残体的分解、养分的贮藏转 化、污染物的降解、水分入渗、气体交换、土壤结构的形成与稳定、有机物的合成及异 源生物的降解等。因此,微生物学参数可作为监测土壤污染的早期的、敏感的指标【23】。 土壤中的微生物数量,虽然只占土壤有机物质的3%左右,但由于直接或间接地参与几 乎所有的土壤生物化学过程,在土壤物质和能量的循环和转化过程中起重要的作用,微 生物是土壤中有生命的成分,对土壤各种扰动极为敏感,微生物生物量的变化在一定程 度上可以反应重金属和有机物等对土壤的污染程度。由于土壤微生物量在土壤中的重要 地位和作用,所以对微生物生物量测定才显得尤为重要。 2、土壤呼吸:土壤呼吸是土壤向大气释放C02的过程,包括土壤微生物呼吸、植物 根系呼吸、土壤动物呼吸以及含碳矿物质化学氧化等土壤中产生C02的所有代谢过程, 是微生物矿化有机质、利用养分的产物,其强度反映了微生物的代谢能力和活性。工业 水中含有多种污染物质,尤其是以铜、锌、镉、铬等为主的重金属污染物,长期向土壤 中排放必然对土壤造成影响。 土壤呼吸释放C02过程作为生态系统碳循环的重要环节,同时也是土壤生物活性、 土壤肥力以及土壤透气性的指标,这方面已经开展了较多的研究。土壤呼吸释放C02 是土壤物理、化学和生物等多种因子综合作用下完成的,C02释放量大小与土壤有机质 数量和质量、土壤微生物数量和活性以及土壤水分、结构等均有密切的关系。长期的废 水排放,显著增加土壤当中有机质含量以及重金属的含量,土壤的呼吸强度将会受到抑 制,微生物数量、酶活性和生化作用强度等方面都将受到很大影响【24】。所以,土壤呼吸 作为评价土壤生物活性、土壤肥力及土壤透气性的指标日益受到重视。尤其是近年来, 随着全球气候变化成为人们关注和研究的热点问题,土壤污染尤其是重金属污染对土壤 8 东北师范大学硕士学位论文 释放C02影响的问题也受到人们的关注。土壤呼吸是一个包括土壤微生物呼吸和植物根 系呼吸的复杂生物学过程,受到多种因素的影响。研究表明,土壤有机质成分是影响土 壤呼吸速率的关键环境因素,而重金属污染严重也可影响土壤呼吸。 3、土壤酶活性:土壤酶活性研究过去多集中在土壤肥力方面,随着环境问题同益 严重,土壤酶活性在土壤重金属污染研究中才引起注意。土壤是一个复杂的多相体系, 土壤酶活性受到许多因素影响。土壤pH、土壤有机质、土壤养分及微生物种类等。土壤 重金属离子对土壤酶活性产生抑制或激活作用,同时土壤酶活性变化影响土壤养分释放 及从土壤中获取养分的作物生长,因此土壤酶活性的测定将有助判明土壤重金属污染程 度及其对作物生长的的影响。土壤中一些酶由微生物分泌,并且和微生物一起参与土壤 中物质和能量的循环。土壤酶作为一种主成分为蛋白质的活分子,对重金属的抑制或激 活非常敏感【25】。重金属一方面对酶蛋白作用,一方面能影响土壤微生物及土壤动物,也 会影响作物的生长和发育。土壤酶活性的大小与重金属污染程度存在一定相关性。综合 相关研究报道,重金属对酶的作用机理可分为三种类型:(1)重金属离子作为酶的辅基能 促进酶活性中心与底物间的配位结合,使酶分子及其活性中心保持一定的专性结构,改 变酶催化反应的平衡性质和酶蛋白的表面电荷,从而增强酶活性;(21重金属占据了酶的 活性中心,或与酶分子的巯基、胺基和羧基结合,形成较稳定的络合物,产生了与底物 的竞争性抑制作用,或者重金属通过抑制土壤微生物的生长和繁殖,减少体内酶的合成 和分泌,导致酶活性降低。土壤中的脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶等是来自土壤微生物、 土壤动物和植物根系的生物活性物质,它们能够将生长基质中的尿素、有机磷和有机硫 转化为植物,可以吸收利用的无机态氮、磷和硫,对于生长基质中养分的转化和利用具 有非常重要的意义。土壤酶活性的研究不仅有助于了解土壤中养分的转化、循环过程, 也有助于了解土壤中所进行的生物过程和生物化学过程,便于了解土壤质量状况。 土壤中酶的活性是检验土壤在长期受某种条件下体现的毒性指标。重金属通过抑制 土壤微生物的生长和繁殖,减少体内酶的合成和分泌,最后导致土壤酶活性下降。土壤 总体酶活性可作为评价重金属污染土壤环境质量的生物学指标。土壤酶活性的研究不仅 有助于了解由于土壤酶具有反应灵敏、测定方便等优点,因此一些研究者认为土壤酶活 性可以被用作土壤生态胁迫或土壤生态恢复等早期的敏感性指示,尽管有时利用土壤酶 作为土壤退化的量化指标可能存在一定的局限性,但可以通过其他相关的土壤生物化学 指标进行弥补。可见,土壤酶活性的研究已经延伸到各个研究方向【26】。在土壤退化土壤 修复方面,发挥了很大的作用。土壤酶是土壤生物化学反应的催化剂,参与了土壤生态 环境中许多重要的代谢过程,对土壤本身及农作物生长影响显著,是一种指示土壤污染 状况的重要指标。 9 东北师范大学硕士学位论文 第二章 实验区概况与实验依据 2.1研究区概况 2.1.1研究区地理概况 吉林市地处东北腹地长白山脉,向松嫩平原过渡地带的松花江畔,松花江呈反S形 流过,三面临水、四周环山。东经’~’,北纬4203l’~44040’。东接延边 朝鲜族自治州,西临长春市、四平市,北与黑龙江省接壤,南与白山市、通化市毗邻。 总面积27120km2。其中,市区3636kln2。吉林市有“远迎长白,近绕松花”的形势。由 于不同时期的大地构造运动,以及江河的侵蚀、剥蚀和堆积,形成了中山山区一低山丘 陵区一峡谷湖泊区一河谷平原区的地貌,地势由东南向西北逐渐降低的地理景观。中山 山区,位于吉林地区中、东部和东南部,是全市主要林区和特产区域。南有长白山地龙 岗山脉,东南有龙岗山脉的余脉富尔岭,东北部和呼兰岭。松花湖东有老爷岭,湖西有 摩天岭、南楼山、肇大鸡山,皆为中山山群。 2.1.2地质地貌特征 地质上,松花湖地区白海西宁运动以后,由于地壳断裂,大量岩浆流入,大批花岗 岩侵入,陆地一直趋于抬高,到第三纪有大量玄武岩喷出,形成准平原。第四纪陆台逐 渐被河水侵蚀切割,覆盖一层厚沙砾、黄土状粘土和泥沙砾石等沉积物。山地也覆盖厚 薄不等的黄土层和砾石,缓缓的造山运动,造成现在的台地盆地和河谷。峡谷湖泊区, 分布在丰满电站大坝到白山水库上游金银别的沿湖、沿区区域,是丰满、红石、白山三 大梯级电站建成后形成的地貌区域,环境幽美,景色壮观,是大有前途的能源、特产、 渔业、旅游综合性经济开区和建立良好生态环境的重要生态经济区。河谷平原区,分布 在松花江中游、永吉县北部、舒兰市中部及松花江支流的局部地段。境内地形起伏较大, 相对高差上百米。 2.1.3气候概况 吉林市的气候类型属于温带大陆性季风气候,四季分明。春季少雨干燥,夏季温热多 雨,秋季凉爽多晴,冬季漫长而寒冷。全区年平均气温3~5℃,气温受地形影响,由 西、西北向东、东南气温逐渐降低。一月份平均气温最低,一般在零下18~20℃,七 10 东北师范大学硕士学位论文 月平均气温最高,一般在21~23℃,极端最高气温36.6℃。山区无霜期120d,平原区 可达130.140d。全年降雨量约700m】[Ii左右。全区日照时数2400.2600h,全年总辐射量为 1150kcal.mm五。 2.1.4土壤和动植物 松花湖自然保护区境内土壤类型,主要有棕色森林土、淋溶黑钙土、冲各土、生草 灰化土等。土层比较深厚。松花湖自然保护区,气候温和,日光充足,土壤比较肥沃, 雨量充沛,自然资源丰富。山区中有1000m以上高峰1lO座。最高山峰南楼山,海拔 1404.8m。低山丘陵区,分布在蛟河、桦甸和舒兰市、永吉县的中部。山岭海拔300.400m, 少数山峰高600.700m,是开发较早的区域。森林已经逐渐减退。除占地1748km2的吉 林市城区外,该区域是全省重要的农业、林业、畜牧、渔业及工矿区。 2.2实验依据 2.2.1土壤呼吸测定原理 土壤呼吸是土壤向大气释放C02的过程,包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土 壤动物呼吸以及含碳矿物质化学氧化等土壤中产生C02的所有代谢过程。是微生物矿 化有机质、利用养分的产物。其强度反映了微生物的代谢能力和活性。工业水中含有多 种污染物质,尤其是以铜、锌、镉、铬等为主的重金属污染物,长期向土壤中排放必然 对土壤造成影响,为进一步研究土壤中重金属污染状况,通过对土壤基础呼吸的测定来 探讨重金属的污染。土壤呼吸释放C02过程作为生态系统碳循环的重要环节,同时也 是土壤生物活性、土壤肥力以及土壤透气性的指标,这方面已经开展了较多的研究。 土壤呼吸释放C02是土壤物理、化学和生物等多种因子综合作用下完成的。C02 释放量大小与土壤有机质数量和质量、土壤微生物数量和活性以及土壤水分、结构等均 有密切的关系[29】。长期的废水排放,显著增加土壤当中有机质含量以及重金属的含量, 尤其是铜、锌、镉、铬等为主的重金属污染物。长期施用,微生物数量、酶活性和生化 作用强度等方面都将受到很大影响。所以,土壤的呼吸强度将会受到抑制,土壤呼吸作 为评价土壤生物活性、土壤肥力及土壤透气性的指标日益受到重视。近年来,随着全球 气候变化成为人们关注和研究的热点问题,土壤呼吸是一个主要包括土壤微生物呼吸和 植物根系呼吸的复杂生物学过程,受到多种因素的影响。研究表明,土壤有机质成分是 影响土壤呼吸速率的关键环境因素。但是重金属污染严重了影响了土壤呼吸,对土壤呼 吸的影响则较为复杂【281。 其原理为:在一个密闭系统内放置土壤及过量的NaoH标准溶液,土壤微生物在 呼吸过程中释放出来的C02由Na0H吸收。在BaCl2存在条件下,用HCI滴定剩余的 11 东北师范大学硕士学位论文 NaOH,根据消耗的盐酸量求得释放出的C02量。 实验方程:C02+2NaOH=-1、ia2C03+H20 NaOH+HCI三NaCI+H20 2.2.2土壤酶测定原理 植物体内由SOD(超氧化物歧化酶)、POD和CAT(过氧化氢酶)构成的保护酶系统 可清除有害的体内活性氧,从而保护植物的膜系统。CAT是含Fe的蛋白酶,能将sOD 的歧化产物H202分解成水,达到清除体内多余H20z的目的,避免了H202对植物组织 的伤害【301。 过氧化氢酶的测定原理是:使用三苯基四唑氯反应后生成三苯基,用甲醇浸提,用 光电比色计对来自提液还原型色素的消光系数进行测定。 脲酶是尿素胺基水解酶类的通称,是一种将酰胺态有机氮化物水解转化为植物可以 直接吸收利用的无机态氮化物的酶。它的活性在某些方面可以反映土壤的供氮水平与能 力,与土壤中氮循环体系有着密切联系。 土壤脲酶的测定原理是:脲酶的基质特异性很高的酶,作用于尿素催化下列加水分 解反应。 /NH2 C02+H20=◆C02+2NH3 \\ 7 NH, 测定方法有定量产生的氨的方法和定量尿素基质减量的方法。这里介绍定量基质减 量的方法。 土壤碱性磷酸酶能促进有机磷化合物分解和将聚磷酸盐水解为正磷酸盐供给作物 吸收,在土壤磷素的生物化学循环过程中起着重要作用,促进作物对土壤有机磷的吸收, 因此,碱性磷酸酶活性是评价土壤磷素生物转化方向与强度的指标。 磷酸酶活性的测定原理根据基质的性质不同,一般多用磷酸一酯酶活性测定法。用 对硝基苯磷酸作为基质,用光电比色计测定反应生成的对硝基苯的光密度。 2.2.3土壤生物量测定原理 土壤质量的微生物学指标包括:土壤微生物量、土壤微生物的群落组成和多样性、 土壤酶活性等。评价重金属镉对土壤中微生物群落的影响就可以通过对以上的微生物指 标进行评价。 土壤的微生物生物量是指土壤中体积小于5000¨m3的生物总量(不包括活的植物 体),它能代表参与调控土壤中能量和养分循环以及有机质转化所对应生物量的数量, 而且微生物生物量氮和碳的转化迅速,是比较敏感的评价重金属污染程度的指标。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 土壤微生物种群结构是表征土壤生态系统群落结构和稳定性的重要参数。由于土壤 微生物通常和土壤粘土矿物和有机质结合在一起,生理及形态差异大,目前对微生物种 群进行定量分析还存在很大困难。 东北师范大学硕士学位论文 第三章研究方法 3.1样品采集、制备与分析 3.1.1样品的采集 土壤样点的设置是在自然概况和预实验土壤样品初步分析的基础上,选择远离城市

重金属镉对土壤微生物活性影响的研究(环境科学专业优秀....doc

重金属镉对土壤微生物活性影响的研究(环境科学专业优秀论文) - 摘要 土壤是人类...[本文更多相关]

重金属镉对土壤酶活性影响的研究解析.doc

重金属镉对土壤酶活性影响的研究解析_中职中专_职业...通过重金属污 染土 壤进行了采样和微生物学指标的...生物学指标的 影响 [J].农业 环境 科学 学报 . ......[本文更多相关]

重金属污染对土壤微生物及土壤酶活性影响的研究进展.doc

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 重金属污染对土壤微生物及土壤酶活性影响 的研究进展 作者:毛雪飞 吴羽晨 张家洋 来源:《江苏农业科学》2015 年第 05 ......[本文更多相关]

镉对土壤微生物的影响及微生物修复镉污染研究进展.doc

镉对土壤微生物的影响及微生物修复镉污染研究进展_生物学_自然科学_专业资料。...发展及农业化肥和农资物质的广泛施用,土壤重金属污染越来越严重, 其中镉污染问题......[本文更多相关]

重金属对土壤微生物影响的研究进展.doc

对土壤微生物影响的研究进展_农学_农林牧渔_专业...Khan 等试验研究了镉和 铅对红壤中微生物的影响,...2 重金属对微生物活性的影响 2.1 重金属污染对......[本文更多相关]

重金属污染对土壤微生物的影响.doc

重金属污染对土壤微生物的影响_农学_农林牧渔_专业...与土壤重金属之间的关系是国内外环境科学领域的一个...Hg 污染对土壤微生物及其活性影响的研究 [D].杭州......[本文更多相关]

重金属铅镉对玉米生长及土壤微生物的影响解析.doc

重金属铅镉对玉米生长及土壤微生物的影响解析 - 农业环境科学学报 2009, 2...[本文更多相关]

重金属铜_锌_镉_铅复合污染对土壤环境微生物群落的影响....doc

重金属铜_锌_镉_铅复合污染对土壤环境微生物群落的影响解析 - 文章编号:025322468(200320120022206 中图分类号:X172 文献标识码:A 重金属铜、锌、镉、铅复合污染......[本文更多相关]

嘉峪关职称论文发表网-环境监测土壤重金属污染防治措施....doc

嘉峪关职称论文发表网-环境监测土壤重金属污染防治措施...土壤重金属铅镉形态和有效态的提取方法研究 43……重金属 Cd 污染对土壤微生物活性影响的研究 44……......[本文更多相关]

重金属对土壤环境微生物群落的影响解析.doc

1期 落的影响 王秀丽等:金属铜、、、复合污染对土壤环境微生物群 重锌镉铅2 7...[本文更多相关]

克拉玛依论文网职称论文发表网-环境监测土壤重金属污染....doc

农作物镉积累的品种差异及其机理研究进展 1/6 云发表,专业论文发表网站!http:/...重金属 Cd 污染对土壤微生物活性影响的研究 13……土壤重金属污染评价方法研究......[本文更多相关]

土壤重金属污染修复研究毕业论文.doc

重金属污染修复研究毕业论文_生物学_自然科学_专业...研究了五种物质对重金属铅和镉混合污 染土壤的络...施用该肥料能够培肥地力,提高土壤微生物活性,改善......[本文更多相关]

重金属污染对微生物生理影响的研究进展.doc

金属污染对微生物生理影响的研究进展_农林牧渔_专业...表现在重金属污染不仅带来严重的土壤环境恶化,影响到...镉、铅与微生 物生物量碳、微生物生物量氮、微......[本文更多相关]

生态毒理学论文.doc

生态毒理学论文_社会学_人文社科_专业资料。镉污染对红壤和潮土微生物的生态毒理效应 1.研究目标:以土壤微生物量碳、土壤酶活性及微生物多样性为微生物学指标,以......[本文更多相关]

土壤论文微生物论文微生物元素论文.doc

微生物论文微生物元素论文_生物学_自然科学_专业资料...土壤环境因子对有机污染物迁移转化的影响 重金属污染...治理对策 蒙顶山茶园土壤微生物区系和酶活性研究 20......[本文更多相关]

重金属铅锌铬对土壤活性酶的影响.doc

重金属镉对土壤酶活性影响... 3页 免费 重金属Cd...土壤污染与防治论文 6页 免费 重金属对土壤微生物影响...土壤酶学在环境科学研究中的应用,并以土壤酶活性......[本文更多相关]

土壤重金属污染对植物的影响及其机制研究.doc

污染对植物的影响及其机制研究_农学_农林牧渔_专业...土壤方面的研究主要是针对 土壤微生物、土壤酶活性及...[7]宋菲,郭玉文,刘孝义,等.土壤中重金属镉、锌、......[本文更多相关]

重金属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究进展.doc

重金属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究进展_化学_自然科学_专业资料。sunshine 重釐属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究迚展滕 应,黄昌勇(浙江大学环境不......[本文更多相关]

植物修复重金属污染土壤的研究与应用进展.doc

的研究与应用进展_环境科学/食品科学_工程科技_专业...保持土壤结构和土壤微生物活性的情况下,通过植物的 ...土壤重金属镉、铅污染的... 5页 1下载券 重......[本文更多相关]

受重金属镉污染的土壤的修复方法.doc

受重金属镉污染的土壤的修复方法_环境科学/食品科学_工程科技_专业资料。受重...使游离脯氨酸积累,抑制硝酸还原酶活性(李海华和申灿杰, 2000),对植物体产生间接......[本文更多相关]

重金属废水处理技术探讨及其前景展望.txt

由于受沉淀剂和环境条件的影响,沉淀法往往出水浓度达...许多研究表明活的微生物和死的微生物对重金属离子都...镉对该藻生长的影响及其对重金属离子的吸收富集作用......[本文更多相关]

重金属传播特征.txt

由于重金属一般不易随水淋滤,土壤微生物不土壤中...牧业方面的应用研究,已公开发表论文 19篇,获商丘市...1.2.1镉在土壤环境中的存在形态镉在土壤中以水溶......[本文更多相关]

[重金属镉对土壤微生物活性影响的研究(环境科学专业优秀论文)]相关文章:

  • 高校优秀青年科研人才国际培养计划申请表在读博士生
  • 高校优秀青年科研人才国际培养计划申请表在读博士生
  • 优化投资环境保障科学发展主题教育活动辅导优秀讲话稿
  • 优化投资环境保障科学发展主题教育活动辅导优秀讲话稿
  • 试析现代拉美大众传媒的理论与实践探索-中国社会科学
  • 试析现代拉美大众传媒的理论与实践探索-中国社会科学
  • 会计信息是人们在经济活动过程中运用会计理论和方法,
  • 会计信息是人们在经济活动过程中运用会计理论和方法,
  • 接受与误读法兰克福学派大众文化理论在中国-山东社会
  • 接受与误读法兰克福学派大众文化理论在中国-山东社会
  • 优化投资环境保障科学发展主题教育活动辅导讲话稿
  • 优化投资环境保障科学发展主题教育活动辅导讲话稿
  • 2017秋八年级物理上册6.4密度与社会生活学案设
  • 2017秋八年级物理上册6.4密度与社会生活学案设
  • 江西洪洲机械设备租赁有限公司企业信用报告-天眼查
  • 江西洪洲机械设备租赁有限公司企业信用报告-天眼查
  • 中国故事-全国博物馆优秀讲解案例展示推介活动-中国
  • 中国故事-全国博物馆优秀讲解案例展示推介活动-中国
  • 重金属镉对土壤微生物活性影响的研究(环境科学专业优秀论文)相关搜索
    最新推荐
    热门推荐