营养物质优化对巨大芽孢杆菌活化甘洛矿山土壤铅锌镉的影响

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巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)是一类常见的土壤微生物。研究表明,接种外源巨大芽孢杆菌可有效提高污染土壤中重金属的生物有效性,继而活化土壤重金属。同时,巨大芽孢杆菌的生长代谢受营养物质供给和生长环境两方面影响,并间接影响其对土壤重金属的活化作用。然而,关于巨大芽孢杆菌营养物质优化及其对矿山土壤重金属生物有效性影响方面的研究相对较少,特别是西南干热河谷铅锌矿山土壤利用巨大芽孢杆菌对Pb、Zn、Cd生物有效性的研究,尚未见报道。因此,本文以甘洛县富含Pb、Zn、Cd的铅锌矿山土壤为材料,以巨大芽孢杆菌生长所需的营养物质为切入点,筛选出能够显著促进巨大芽孢杆菌活化土壤Pb、Zn、Cd的营养物质条件,为甘洛矿山土壤Pb、Zn、Cd的活化提供理论支撑和技术指导。研究结果如下:(1)在0-50 d之间,通过向矿山土壤中分别接种培养于A、B、C、D培养基的巨大芽孢杆菌,结果发现其均可提高矿山土壤的弱酸可提取态Pb、Zn、Cd含量。其中,接种培养于D培养基的巨大芽孢杆菌既能显著增加土壤的弱酸可提取态Pb、Zn、Cd含量,还能显著减少矿山土壤的残渣态Pb、Zn、Cd含量。同时,其也能显著降低矿山土壤的pH,并提高土壤的碱解氮和速效磷含量。因此,D培养基是四种基础培养基中最能有效促进巨大芽孢杆菌活化甘洛铅锌矿山土壤Pb、Zn、Cd的培养基。(2)基于D基础培养基,分别设计碳氮比为5:1、10:1、20:1、40:1的J1、J2、J3、J4四种不同改良型培养基,并将其分别用于培养巨大芽孢杆菌,而后将培养好的菌液分别接种于甘洛铅锌矿山土壤。结果表明:在0-35 d之间,接种巨大芽孢杆菌发酵液J1、J2、J3皆可显著提高矿山土壤中的弱酸可提取态Pb、Zn、Cd。同时,J1、J2、J3处理在0-50 d的平均Pb、Zn、Cd生物活性系数如下Pb:J2(20.87%)、J1(20.67%)、J3(20.39%),Zn:J3(28.18%)、J1(28.11%)、J2(27.28%),Cd:J2(50.63%)、J1(49.99%)、J3(49.97%)。基于生物活性系数,J1更能有效且均衡地活化矿山土壤Pb、Zn、Cd。此外,J1处理不仅能提高矿山土壤的速效钾和速效磷含量,还能使矿山土壤的pH显著降低0.17。因此,优化后的J1培养基是巨大芽孢杆菌活化矿山土壤Pb、Zn、Cd的最适培养基。(3)以J1培养基为基础,分别设计培养基补加量为0 ml、5 ml、10 ml和20 ml的J1-0、J1-5、J1-10、J1-20四种实验处理。结果表明:在0-35 d之间,J1-0、J1-5、J1-10处理均能显著促进巨大芽孢杆菌对矿山土壤Pb、Zn、Cd的活化,而J1-20处理则与J1-0、J1-5、J1-10处理完全相反。其中,J1-5处理对弱酸可提取态Pb含量的提高效果最好,其平均提高量为42.19 mg/kg;而J1-10处理的平均弱酸可提取态Zn含量最高,其平均含量约为603.51 mg/kg;然而,J1-0、J1-5和J1-10处理对弱酸可提取态Cd含量的提高效果基本一致。此外,J1-0、J1-5、J1-10处理还能促使矿山土壤的pH显著下降,并提高土壤的速效磷和速效钾含量。基于生物活性系数,J1-5和J1-10处理在20-50 d的平均Pb、Zn生物活性系数基本相同且均大于J1-0,表明补施5 ml或10 ml培养基皆可提升巨大芽孢杆菌对矿山土壤Pb、Zn的活化效果。结合后续生产成本控制的因素,选择5 ml为最佳补加量。因此,本文通过以巨大芽孢杆菌营养物质优化来提高其生物活性,从而有效提升矿山土壤中Pb、Zn、Cd的弱酸可提取态,达到活化土壤Pb、Zn、Cd,为进一步实现营养物质-巨大芽孢杆菌共同活化甘洛铅锌矿山土壤Pb、Zn、Cd的技术体系进行了十分有效的构建。
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