电子废弃物拆解区土壤典型毒害污染物及生态效应

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电子垃圾的快速增长及其不规范拆解所带来的社会、环境和健康等问题已经引起了全球各界的重视。电子垃圾处理场地土壤复合污染严重,主要污染物为重金属和持久性有机污染物,多种污染物的叠加,严重危害该地区的生态环境安全。在长期的受迫的环境下,土壤中微生物多样性也发生转变。掌握电子垃圾场地土壤中重金属和持久性有机污染物的环境行为和归趋,了解污染场地微生物多样性及其与土壤理化性质、污染物组成和含量之间的的关系,有助于寻找耐受或是降解代谢污染物的微生物类群,为研究污染对土壤生态系统风险评价和微生物修复技术的发展提供线索和理论依据。然而目前对电子垃圾场地有毒污染物土壤微生物群落结构的影响的研究较少。本文采集了中国和巴基斯坦电子垃圾和对照土壤66个,11种农作物植株及其根际和非根际土壤,4个不同利用类型的土壤剖面(电子垃圾拆解地、水稻田、花生地、天然对照)的样品,通过分析样品中重金属和持久性有机物,获得电子垃圾区土壤中毒害污染物的组成和分布特征。同时利用磷脂脂肪酸(PLFA)技术、甘油双烷基链甘油四醚(GDGT)技术及454焦磷酸测序技术分析了土壤微生物多样性。通过对比分析,获得毒害污染物对该区土壤微生物多样性的影响和作用机理。主要结果和结论如下:  (1)土壤理化性质分析显示:电子垃圾和植物均增强了土壤的酸性,同时增加了土壤有机质的含量。  (2)重金属污染:  电子垃圾表层土壤主要重金属污染依次为铜、镉、铅、锌,其含量与土壤有机质呈现正相关。清远电子垃圾区的农田土壤中主要的重金属污染依次为铜、铅、锌、镉,农田植物根际富集重金属,但不显著,富集程度随植物的种类不同有所差异。农田土壤中有效铜含量中等(0.3 mg/kg),根际土壤与非根际土壤有效铜含量没有显著差异性。水稻Oryza sativa、油麦菜Lactuca sativaL、花生ArachishypogaeaL.、大豆Glycine max、木耳Gynura cusimbua(D.Don)S.Moore为优势富集植物,植物根是吸收铜的主要部位;有效铜含量受土壤pH、有机碳影响。土壤剖面镉、铅污染严重(>0.8 m),重金属在土壤剖面中垂直分布受土壤类型和有机质含量影响。  (3)有机污染物:  中国电子垃圾表层土壤多环芳烃轻微污染(<200 ng g-1),巴基斯坦严重污染(>2000 ng g-1),主要以四环为主,来源于电子垃圾的焚烧。电子垃圾土壤表层多氯联苯严重污染(>4000 ng g-1),主要以4~5氯为主,主成分分析表明来源于Aroclor1254和1248。多溴联苯醚(>300 ng g-1)污染严重,以BDE209为主清远多溴联苯醚来自商业十溴联苯醚,台州、木耳坦、卡拉奇土壤中多溴联苯醚来自商业五溴联苯醚。得克隆(~300 ng g-1)严重污染,反式得克隆质量分数为0.6。  土壤剖面多环芳烃基本无污染,多氯联苯污染较轻,得克隆污染严重。三种污染物主要集中在土壤表层(0~20 cm),低分子量多环芳烃有较强垂直迁移能力,多氯联苯没有明显选择性迁移,得克隆垂直迁移存在反式异构体富集。多环芳烃、多氯联苯、得克隆垂直分布受土壤有机质影响。  (4)利用磷脂脂肪酸分析土壤微生物群落结构得到的结论  电子垃圾表层土壤微生物生物量(中位值32.76 nmol/g)高于对照点土壤微生物生物量(中位值20.10 nmol/g)。电子垃圾土壤细菌的相对丰度(82.40±1.29%)显著高于对照点土壤细菌丰度(78.08±2.00%),电子垃圾土壤放线菌(2.56±0.43%)的相对丰度较对照土壤显著降低。经过冗余分析(RDA)表明,土壤理化性质如土壤酸度pH、总有机碳(TOC)、碳氮比(C/N)是影响土壤表层微生物群落结构变化的主要因素,其中土壤pH是最主要的因素。  植物根际土壤总生物量与真菌生物量分别显著高于非根际土壤;根际土壤较非根际土壤具有较高的细菌、真菌丰度,较低的真菌与细菌比值(F/B)。不同植物根际效应差别很大,其中块茎植物和水稻具有较大的根际效应。冗余分析(RDA)表明,土壤pH和土壤溶解性有机碳(DOC)是根际土壤和非根际土壤磷脂脂肪酸分布的主要影响因素。  表层土壤微生物生物量(0~10 cm)占在土壤剖面(80 cm)的47~61%,随着土壤剖面深度加深,土壤微生物生物量降低。随着土壤剖面深度加深,微生物多样性降低,污染物浓度较高的土壤剖面降低幅度大;随着深度增大,细菌丰度降低;指示环境压力的i15/a15与重金属含量显著正相关。主成分分析结果表明主成分分析PC1(47.21%)与重金属(铜、镉、铅)显著负相关,表明电子垃圾拆解区土壤重金属污染物对土壤剖面的微生物群落结构造成扰动。  (5)利用GDGTs分析土壤微生物群落结构得到的结论  电子垃圾表层土壤增加了土壤GDGTs含量,但不明显,电子垃圾土壤改变土壤古菌群落结构,氨氧化古菌含量显著降低。支链GDGs分布受大气温度、铜、土壤性质影响,古菌GDGTs受铜和土壤pH影响。  农田植物提高了土壤细菌支链GDGTs含量和古菌GDGTs含量,但是不明显。农田土壤中古菌GDGTs主要来自Thaumarchaeota groupⅠ.1b,支链GDGTs主成分(PC1)与土壤总有机碳、总氮、溶解性有机碳显著正相关,主成分PC2(16.4%)与土壤中重金属铜、铅、锌、显著负相关,古菌主成分PC1(51.15%)与土壤重金属铜、锌显著负相关。  土壤剖面细菌支链GDGTs以Ⅰa为主,水稻田、花生地主要在表层土壤0~20 cm中,占土壤剖面(0~80 cm)的38~76%,电子垃圾地支链GDGTs主要在地下。支链GDGTs含量都随深度加深而减少。花生地,电子垃圾土壤、对照点古菌GDGTs主要以奇古菌为主,水稻田以产甲烷菌为主。随深度增加古菌GDGTs相对含量增加,古菌GDGTs来自Thaumarchaeota groupⅠ.1b相对增加。细菌支链GDGTs的主成分PC1(41.10%)与土壤深度显著、土壤pH、镉显著正相关,古菌GDGTs的主成分PC2(33.41%)与总有碳氮比、重金属(铜、镉、铅、锌)显著负相关。  (6)在中国和巴基斯坦电子垃圾拆解区采集了10个表层土壤样品,应用Roche454 GS FLX焦磷酸测序仪对这10个理化性质差异较大表层土壤样本进行16S rRNA的V3-V4高变区测序。测序后共得到84403条高质量序列,通过序列与RDP数据库的比对分析,变形菌门Proteobacteria、厚壁菌门Firmicutes、放线菌门Actinobacteria和酸杆菌门Acidobacteria占主导位置(>10%),其所占比例分别为25.93%、16.22%、13.78%和10.08%。主要属为具有降解能力的芽孢杆菌属Bacillus、假单胞菌Pseudomonas、芽单胞菌属Gemmatimonas、鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas。污染严重的电子垃圾土壤出现嗜冷杆菌Psychrobacter,鱼露芽孢杆菌属Jeotgalibacillus、盐水球菌属Salinicoccus等极端微生物。电子垃圾土壤细菌多样性指数与土壤重金属(铜、铅、锌)含量显著负相关,表明电子垃圾土壤中重金属含量降低土壤细菌生物多样性;基于weighted Unifrac距离的系统发育多样性分析表明,细菌群落主要驱动因子为土壤pH、总有机碳、碳氮比,有机物污染和重金属污染影响有限。
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