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[博士论文] 翟伟伟
土壤学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着中国畜禽养殖业的快速发展,畜禽废弃物的排放量也迅速增长。在规模化畜禽养殖过程中,有机胂制剂因其具有预防疾病、提高饲料转化率、促进畜禽生长等作用在畜禽养殖业广泛应用。然而,大部分有机胂制剂随畜禽排泄物排出体外,造成畜禽废弃物中含有较高浓度的砷。当农田施用高砷含量的畜禽废弃物时,可能会造成土壤和农作物砷累积,进而威胁农产品安全和人体健康。堆肥是畜禽废弃物实现资源化处理最有效的一种措施,可以使畜禽废弃物减量化和无害化。但是畜禽废弃物堆肥过程中砷的形态转化尤其是砷的甲基化过程以及砷甲基化微生物的驱动机制还缺乏研究。本研究在对浙北地区养猪废弃物、废水及长期施用猪粪的农田土壤砷污染调查基础上,通过室内模拟堆肥和野外实际堆肥结合的方式,研究堆肥过程中砷的氧化、还原尤其是甲基化作用,探讨了生物质炭添加对畜禽废弃物堆肥过程中砷形态转化的影响。同时,应用qPCR、克隆文库和16S rRNA基因高通量测序等分子生物学手段研究了畜禽养殖废弃物堆肥过程中砷甲基化功能微生物群落结构多样性及其演替规律,揭示了生物质炭对堆肥过程中砷甲基化行为特征的影响与微生物驱动机制。主要的结论如下:
  (1)对浙北地区规模化养猪场猪粪、堆肥样品和养猪场废水样品砷含量调查发现,堆肥样品中砷的含量明显高于猪粪样品中砷的含量,养猪场废水中砷的含量明显低于猪粪中砷的含量。在猪粪和堆肥样品中,As(Ⅴ)是最主要的无机砷形态,甲基砷主要是DMAs(Ⅴ),但是堆肥样品中MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)所占的比例高于猪粪样品。养猪场废水中DMAs(Ⅴ)是主要的砷形态,且处理过程中存在砷的甲基化过程。大部分试验点长期施用猪粪没有引起土壤砷积累,但是随着猪粪施用量的增加,土壤中As(Ⅴ)所占的比例逐渐增加、As(Ⅲ)所占的比例减少,猪粪的长期施用会促进土壤砷的氧化。
  (2)野外实际堆肥试验发现,堆肥后猪粪中砷、铜和锌等其他重金属的总浓度增加,生物有效性和移动性减少,并向更稳定的形态转化。As(Ⅴ)是猪粪堆肥过程中最主要的形态,随着堆肥的进行,两个堆体中As(Ⅴ)含量逐渐增加;堆肥过程中As(Ⅲ)由于发生氧化和甲基化作用导致As(Ⅲ)在堆肥结束时下降了26%左右;MMAs(Ⅴ)含量随着堆肥时间逐渐增加并在高温期达到峰值,在腐熟期随着堆肥时间迅速下降;但DMAs(Ⅴ)的含量随着堆肥时间逐渐增加;堆肥过程中甲基砷(MMAs(Ⅴ)+DMAs(Ⅴ))的积累证实在堆肥过程中发生了砷的甲基化。为了进一步研究不同浓度的砷在猪粪堆肥过程中砷的形态转化,通过向猪粪中分别添加As(Ⅴ)和As(Ⅲ)进行室内模拟堆肥试验,结果发现,添加低浓度As(Ⅴ)和As(Ⅲ)会增强堆肥高温期砷的甲基化作用,尤其是添加As(Ⅲ),对增强堆肥过程中砷甲基化作用更显著;但高浓度As(Ⅴ)和As(Ⅲ)添加会对堆肥体系中的微生物产生毒害,砷甲基化作用减弱。
  (3)通过结合多种分子生物学方法(qPCR,克隆文库以及16S rRNA高通量测序技术)研究了猪粪堆肥过程中砷甲基化功能微生物的丰度、群落结构多样性及其演替规律。qPCR结果表明,砷还原基因arsC的丰度在堆肥过程中先减少后增加,砷甲基化基因arsM的丰度随着堆肥时间逐渐增加;Eh、NH4+-N和OM是影响arsC和arsM基因的主导环境因素;堆肥过程中理化性质的变化通过增加砷还原菌和砷甲基化微生物的数量,从而促进堆肥过程中砷甲基化过程。砷甲基化微生物群落结构组成在堆肥过程中发生动态演替。克隆文库结果发现链霉菌目(Streptomycetales)和根瘤菌目(Rhizobiales)是堆肥高温期的主要的砷甲基化微生物优势菌,而在堆肥腐熟期砷甲基化优势菌群主要由根瘤菌目(Rhizobiales),Solirubribactrales目和放线菌目(Actinomycetales)构成。16S rRNA测序结果也显示可能与砷甲基化相关的微生物群落结构组成在堆肥过程中发生了显著的变化。另外,克隆文库和16S rRNA测序结果的一致性说明Streptomyces sp.GSRB54,Amycolatopsis mediterranei U32和phaerobacter thermophiles DSM20745可能对堆肥过程中砷甲基化过程中有着更重要的作用,但其作用机制还需进一步验证。
  (4)模拟堆肥试验和反应器堆肥试验发现生物质炭添加影响猪粪堆肥过程中砷的形态转化。结果发现,添加5%生物质炭可以促进堆肥升温期和高温期砷甲基化作用,而添加10%生物质炭在升温期和高温期对砷甲基化作用没有影响,但是抑制了降温期和腐熟期砷的甲基化作用,促进砷的氧化作用;当砷的浓度过高时,会降低砷代谢微生物的活性,抑制砷的氧化和甲基化作用,生物质炭的添加量没有影响。反应器堆肥试验中,添加生物质炭能够更快地完成堆肥腐熟进程;As(Ⅲ)所占的比例在堆肥升温期显著降低;堆肥过程会造成甲基砷的积累,显著促进了堆肥升温期MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)的生成,但是减少了堆肥高温期和降温腐熟期甲基砷所占的比例,这是由于添加生物质炭促进堆肥过程中砷的挥发;此外,添加生物质还会影响挥发性砷的形态,堆肥过程中产生的气态砷的主要成分是AsH3和As(CH3)3,添加生物质炭主要是增加了堆肥升温期和高温前期气态砷中AsH3的比例,减少了堆肥高温后期和降温腐熟期AsH3的比例。
  (5)堆肥过程中微生物的多样性和丰富度主要受堆肥温度的影响,生物质炭的添加影响较小。但是添加生物质炭对第15天、40天、80天样品中属水平微生物群落结构有显著影响,添加生物质炭会导致一些特异性微生物的出现。代表性OTUs与堆肥过程中MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)的含量有显著相关的关系,分为正相关和负相关,Firmicutes(厚壁菌门)Ureibacillus suwonensis菌与MMAs(Ⅴ)、DMAs(Ⅴ)呈显著正相关关系,而Firmicutes(厚壁菌门)Lactobacillales,Clostridiales目中许多属水平的微生物与MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)呈显著的负相关;添加生物质炭后,与MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)有相关关系的微生物增加,生物质炭的添加可能通过Streptococcus属和Clostridium属的作用促进砷的挥发。
[专利] 发明专利 CN201811066286.8
浙江大学台州研究院 浙江大学 2019-01-25
摘要:本发明公开了一种利用石膏复合物抑制水稻吸收砷镉的方法,在水稻插秧前,向受砷镉污染的稻田土壤中施加石膏复合物,并将石膏复合物与稻田土壤充分混合均匀;在水稻灌浆前,保持稻田土壤淹水深度2‑4cm;在水稻灌浆后,保持稻田土壤表层湿润,且无淹水层。石膏复合物对抑制水稻吸收砷镉效果稳定,易获取且较为经济实用,对水稻可连续作用至少两个生长季。
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