铜尾矿库重金属Cu、Zn对细菌群落结构的影响的论文
铜尾矿库重金属Cu、Zn对细菌群落结构的影响的论文
我国是有色金属矿产资源大国,由于大部分矿产资源品位较低,导致开采过程中产生大量尾矿,一般占入选矿石的 70%~95%.这些尾矿利用率极低,大部分长期存放于尾矿库中.而尾矿库是一个物理、化学以及生物条件复杂多变的场所,重金属在这个特殊环境中有着独特的地球化学行为及生物有效性.尾矿颗粒细小、易随风扬尘,导致空气污染,特别是长期堆存条件下的尾矿在微生物和风化作用影响下,尾矿中重金属元素将发生大规模活化、迁移、形态转化,外排的废液或扬尘进入周边环境,从而对周边环境产生重金属污染和危害,对周围生态系统造成潜在的、长期的巨大威胁.
重金属污染能够明显影响土壤微生物群落结构,已有研究表明微生物群落结构的变化能够较早地预测土壤养分及环境质量的变化过程,被认为是最有潜力的敏感性生物指标.随着现代分子生物学技术的发展,在分子水平上研究重金属对微生物群落的影响已成为可能.变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)是目前研究微生物遗传多样性比较有力的分子生物技术之一,这一技术能够提供群落中优势种类信息,同时分析多个样品,具有可重复和易操作等特点,适合于调查群落结构变化[4-5].Gomes[6]等通过向土壤中投加富含 Cd、Zn 的污泥观察细菌的 DGGE 图谱发现,不管是短期还是长期污染过程中其基因图谱都产生了显著变化.潘雪莲等通过对黄土高原 5 个土壤样品进行 DGGE 分析发现不同微生物群落结构的成因与季风性气候引起的"温湿环境变化及冰期有关.
1 尾矿库自然概况与研究方法
1.1 尾矿库自然概况
所取样铜尾矿库位于湖北省大冶市西南,距大冶市区约 3km.地表土壤旱地主要为红壤和砖红壤,农田主要为稻田土.库长 1km,宽 0.7km,库面面积为 0.6km2,近似卵圆形,坝内已堆存尾矿500 余万 t.尾矿砂的主要矿物组分为铁矿物和铜矿物以及少量含锌矿物,如黄铜矿、赤铁矿及黄铁矿等;主要脉石矿物为方解石、石英和玉髓等.
1.2 研究方法
1.2.1 样品的采集和保存 在尾矿库里设置 5个相互距离较远的样点,每个样点根据尾矿样形态、色泽、土质取表层和深层样品;另取附近距离约 1km 一小型废弃铜尾矿库样品和附近长有植物的耕土作对照,样品装入塑料保鲜袋,24h 内带回实验室。
1.2.2 样品理化性质及重金属测定 土壤理化性质按常规方法测定,分别测定 pH 值、氧化还原电位(Eh)、电导率(κ).阳离子交换量(CEC)采用BaCl2交换法测定;有机质采用K2Cr2O7容量法测定.
1.2.3 土壤微生物 DNA 提取及细菌 16S rRNA的PCR扩增 土壤总DNA采用康为世纪生物公司生产的土壤 DNA 提取试剂盒提取,提取的DNA 经纯化后置于-20℃下储存.
2 结果与讨论
2.1 样品理化性质与重金属污染之间的关系
样品的 pH 都在 8.0 以上,属碱性土且普遍比耕土土壤的 pH 值高,可能是因为选矿过程中碱性浮选药剂的添加导致pH 值普遍偏高.土壤电导率是测定土壤水溶性盐的指标,而所测电导率普遍较低,与 pH 值相关性不高,说明不溶性盐的存在导致电导率较低,并不是碱性环境的原因.
2.2 土壤细菌群落 DGGE 图谱分析
DGGE 图谱中不同位置的条带代表不同的微生物类群,不同泳道同一位置条带的明暗程度(光密度值大小)则反映该菌群在不同环境样品中的相对丰度.电泳条带越多说明生物多样性丰富,条带信号越强,表明该种属数量越多,从而确定不同样品中所含的微生物的种类和数量关系,得出其中微生物多样性的信息.
2.3 群落结构与理化因子及重金属的RDA分析
采用线性回归的冗余分析(RDA)对引起微生物群落结构变化的因素进行分析，结果见表4.RDA是一种直接梯度分析方法,能从统计学的角度来评价一个或一组变量与另一组多变量数据之间的相互关系p6].将细菌的种属作为解释变量，将理化因子及重金属含量作为RDA分析中的响应变量,通过进一步选择(forward selection)和蒙特卡罗检验Monte Carlo permutationtest)(P<0.05, = 999)得到解释细菌群落变化的显著变量.
3 结论
3.1 对铜尾矿库所采各个样品的理化性质及重金属 Cu、Zn 含量进行测试分析,结果表明,重金属含量远远超标(Cu 平均值为 3989mg/kg, Zn 平均值为 885mg/kg)并影响了样品的理化性质(Cu与 pH 和 Eh、Zn 与 CEC 和 OM 都呈显著相关性)导致其并不适于作物生长.
3.2 图谱结果表明土壤细菌的多样性较低 ,与样品所取深度并无直接关系.铜和锌对群落多样性有抑制作用.而在尾矿库这个大环境的长期作用下各个样品之间的种群相似性较高(相似度在45%以上),存在的大部分菌群是对重金属铜和锌具有抗性的菌群,一些对污染敏感的菌类相对较少.长有作物的耕土样品与尾矿库的样品多样性相差不多均较低,说明土壤根本上已受到污染.
3.3 冗余度分析证明了影响细菌群落的理化因素还有很多并不是简单的只有本研究所测的因子;Cu 和 Zn 对于细菌群落的影响作用不完全相同,Cu 的抑制作用较明显,而 Zn 体现了两面性,一方面促进了群落结构多样性的丰富,另一方面又抑制了种群的分布,并不是简单的实验室研究的线性关系.