金灰青霉解磷特性及固铅能力研究

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磷(P)是植物生长发育过程中不可或缺的重要营养元素之一,对增强作物环境抗逆性及促进果实生发育方面具有重要作用。土壤中磷主要以难溶性磷酸盐形式存在,作物难以直接吸收利用。施用磷肥能够缓解作物生长发育过程中有效磷不足的问题,但施入土壤中的磷容易与Ca2+、Fe3+等金属离子结合,形成难溶性的磷酸盐。此外,磷肥大量施用也会加剧磷矿资源耗竭,提高土壤磷累积量,增加环境污染风险。因此,提高土壤中难溶性磷酸盐向植物可直接吸收利用磷形态转化是提高作物产量、缓解磷矿资源危机的潜在有效措施。解磷微生物能够有效促进土壤中难溶性磷向植物可吸收利用形态的转化,其分泌的低分子量有机酸不仅能够显著降低环境p H值,还能与Ca2+、Fe3+等金属离子进行络合,促进难溶性磷酸盐中磷素的释放。与解磷细菌和解磷放线菌相比,解磷真菌具有更强的解磷能力,并且其解磷能力在传代培养后仍能维持。草酸是解磷真菌分泌的主要有机酸,不仅能够有效促进难溶性磷酸盐中磷素的释放,还能与铅等重金属离子结合形成难溶性的草酸铅沉淀。因此,解磷真菌也常被应用于铅污染修复。三羧酸循环(Tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)是解磷真菌分泌草酸的唯一途径。在TCA过程中草酰乙酸水解酶(Oxaloacetate acetyl hydrolase,OAH)会将草酰乙酸裂解为草酸和乙酸。而OAH酶的活化与Mn2+有关,因此,Mn2+的浓度是影响解磷真菌草酸分泌的关键性因素。此外,解磷真菌分泌有机酸的能力还受环境p H值、碳源、氮源和磷源等诸多环境因素的影响。因此,明确不同环境因素对解磷真菌解磷能力的作用特征和机制,对提高土壤磷素有效性,实现解磷真菌高效解磷和固铅具有重要理论和现实意义。本文利用试验室前期筛选的一株高效解磷能力解磷真菌-金灰青霉(Penicillium aurantiogriseum)为供试菌株。探究在不同碳、氮和磷源对其有机酸分泌及解磷能力的研究。同时探究该菌株对高浓度铅的耐受性及不同锰浓度对其有机酸分泌及固铅能力的影响。文章具体研究包括以下3个方面:1.不同营养条件下金灰青霉解磷能力的差异本文研究了不同碳源(葡萄糖、蔗糖和淀粉)和氮源(铵态氮、硝态氮和尿素)对典型解磷真菌—金灰青霉解磷能力的影响。结果表明铵态氮((NH4)2SO4)和蔗糖能够显著提高金灰青霉解磷能力,对磷酸三钙的磷释放量最高,为1000 mg/L。碳源对金灰青霉解磷能力影响不显著,而硝态氮和尿素则显著抑制金灰青霉的解磷能力,磷释放量仅为760 mg/L左右。此外,葡萄糖和铵态氮能够促进金灰青霉对有机酸的分泌,其中最主要的是草酸,分泌量为260 mg/L。XRD结果表明金灰青霉分泌的草酸主导了磷酸三钙中磷素的释放,并形成了大量的草酸钙(Ca C2O4)矿物。本文研究表明,提高金灰青霉解磷能力需要增加铵态氮的投入。本研究阐明了金灰青霉在不同营养元素条件下的解磷特性,为其在活化土壤难溶性磷酸钙盐方面提供理论依据。2.金灰青霉对不同难溶性磷酸盐中磷素释放能力研究本章基于前期对于金灰青霉解磷特性的研究,探究金灰青霉对不同难溶性磷酸盐的溶解能力。选择磷酸三钙(Ca3(PO4)2)、磷酸铁(Fe PO4)、磷酸铝(Al PO4)作为难溶性磷酸盐。研究结果表明,金灰青霉对磷酸三钙的磷释放量最高,为950mg/L。而对磷酸铁和磷酸铝的磷释放量仅分别为114 mg/L和185 mg/L。此外,金灰青霉溶解磷酸三钙时草酸分泌量最高,为253 mg/L。XRD结果表明草酸与Ca2+的结合能力最强,形成大量草酸钙(Ca C2O4)能够进一步促进磷酸盐的磷素释放。本研究表明,金灰青霉对于磷酸三钙的活化能力最强,为其在溶解土壤难溶性磷酸钙盐方面奠定基础。3.不同浓度Mn2+对金灰青霉固铅能力的影响本章研究了不同浓度Mn2+对金灰青霉分泌草酸及固铅能力的影响,探究金灰青霉对水溶液体系中Pb2+去除率的变化情况及铅形态的转化过程。研究结果表明,金灰青霉能够耐受较高的铅毒性,在1000 mg/L铅浓度条件下仍然能够存活。低浓度Mn2+(3.75 mg/L)能够增加金灰青霉对铅离子的去除率(98%),而高浓度Mn2+(15 mg/L)则显著抑制了其对铅离子的去除率(70~80%)。XRD及SEM-EDS结果表明溶液中Pb2+最终以草酸铅矿物的形式沉淀于菌丝体表面。此外,与低浓度Mn2+处理相比高浓度Mn2+显著降低了沉淀中有效铅的含量(22 mg/L)。此项研究表明,金灰青霉在铅污染修复上的应用具有可行性,而低浓度的Mn2+可以促进金灰青霉释放草酸,提升金灰青霉对铅的去除率。
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