（环境工程专业论文）垃圾填埋场植被调查及其适生植物耐性微生物学机理研究.pdf

摘要 随着社会经济的持续快速发展，城市生活垃圾卫生填埋技术同益暴露出其局 限性。生活垃圾填埋场占地面积广，土地资源消耗大，恶臭污染及景观生态破坏 严重等问题，已成为影响国内诸多生态文明城市建设的制约因素之。因此，开 展垃圾填埋场适生植物筛选、适配种植技术与适生植物耐性机理研究，对改善垃 圾填埋场生态环境，节约土地资源，减少恶臭污染排放，恢复土地利用价值，创 建城市生念景观具有重要意义。 论文以杭州市天子岭垃圾填埋场为研究对象，对垃圾填埋场场内及周边生态 环境进行调查，共采集垃圾填埋场场内植物6 7 种，隶属于3 3 科，其中乔灌木 1 8 种，隶属于l l 科；草本4 9 种，隶属于2 4 科：垃圾填埋场场外乔木层植物1 1 种，下木层植物2 7 种。调查研究发现，垃圾填埋场植被分布受填埋时问的影响 较明显，填埋时间越长，植物种类越少，但数量越多，郁闭越好：时问越短，植 物种类越多，但数量越少，郁闭越差。 在植被调查的基础上，通过天子岭垃圾填埋场1 2 0 0 m 2 的试验基地，根据“乔 木+ 灌木+ 草本”的适配种植方式，结合生物多样性与景观生态设计原则，选取乔、 灌木植物2 0 种和草本植物9 种，开展植被筛选、污泥强化覆土工艺与植物适配 种植研究。研究结果表明湿地松，珊瑚朴，紫荆、红叶石楠、画眉草、高羊茅、 灰绿藜等植物为垃圾填埋场耐性适生植物：污泥的撮适添加比例为lo ，覆土厚 度为6 0 c m 。 此外，选取适生植物湿地松为研究对象，探讨了适生植物耐性微生物学机理。 结果表明，与非填埋区对比，填埋区域湿地松根际土壤总细菌数量和s h a n n o n 指 数下降较为显著，表明填埋气体的存在对湿地松根际土壤中细菌的生长具有抑制 作用。相反，垃圾填埋场湿地松根际土壤甲烷氧化菌的数量却随着填埋气体的胁 迫和污泥的添加而增高。无论添加污泥与否，垃圾填埋场种植的湿地松根际土壤 甲烷氧化菌的数量和活性之l l 白j 均没发现显著的相关性。研究还发现污泥的添加促 进了湿地松根际土壤细菌、真菌和放线菌的生长以及细菌种群s h a n n o n 指数的提 高。然而，随着污泥添加量的增加，使湿地松根际土壤细菌种群s h a n n o n 指数趋 于一个相对的稳定状态。以上研究结果表明，填埋覆土中添加适量的污泥，有助 于保持垃圾填埋场种植的湿地松根际土壤细菌的多样性。 关键词：天子岭垃圾填埋场植被调查适生植物筛选耐性微生物学机理 a b s t r a c t s a n i t a r yl a n d f i l lt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nd i s p o s i n gm u n i c i p a ls o l i d w a s t e ( m s w ) i nc h i n a h o w e v e r , l i m i t a t i o n so ft h er e c e n t l a n d f i l lt e c h n o l o g yi n c h i n a ，s u c ha sw a t e ra n da i rp o l l u t i o n ，l a r g eq u a n t i t i e so fc o v e rs o i lc o n s u m p t i o n ， l a n do c c u p a t i o na sw e l la ss c e n e r yd e s t r o y ，h a sb e e nc h a l l e n g i n gi t sa p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gan o v e lr e v e g e t a t i o nt e c h n i q u eo nt h ep u r p o s eo ff a s tl a n d f i l l p l a n tr e c o v e r yw i t ht h er e d u c t i o no fw a t e ra n do d o rp o l l u t i o na n dt h ed e c r e a s eo f c o v e rs o i lc o n s u m p t i o ni su r g e n t r e s e a r c h e si n i n v e s t i g a t i n gv e g e t a t i o n si n s i d ea n da r o u n dt i a n z i l i n gl a n d f i l l p l a n t ，s c r e e n i n go fp l a n t st o l e r a n tt ot h eh i g hs t r e s so fl a n d f i l lg a s ，a n du n d e r s t a n d i n g t h em e c h a n i s m so fs o m et o l e r a n tp l a n th a v eb e e np e r f o r m e d r e s u l ts h o w e dt h a tt h e r e w e r e6 7p l a n ts p e c i e si n s i d et h el a n d f l l lp l a n t w h i c hb e l o n gt o3 3f a m i l i e sa m o n g t h e m ，18s p e c i e sb e l o n gt o 11a r b o r o a sa n db u s h yf a m i l i e sa n d4 9s p e c i e sb e l o n gt o h e r b a c e o u sf a m i l i e s a r o u n dt h el a n d f i l l ，t o t a l l y3 8p l a n ts p e c i e sw e r ef o u n dw i t h11 b e l o n g st oa r b o ra n d2 7b e l o n g st os u b c a n o p yp l a n t sm o r e o v e r ，d i s t r i b u t i o no f v e g e t a t i o ni n s i d e t h ep l a n tw a so b v i o u s l yi n f i u e n c e db yt h ei a n d f i l l i n gt i m ei n c o n t r a s tt ot h er i c hs p e c i e sa n dp o o rp l a n tc o v e r a g ei ny o u n g e rl a n d f i l ls i t e s i e s sp l a n t s p e c i e sa n dr e l a t i v e l yh i g hc o v e rp e r c e n t a g ew e r ef o a n di nt h eo l d e r1 a n d f i l ls i t e o nt h eb a s eo ft h ep l a n ti n v e s t i g a t i o na n dt h em o d eo f “a r b o r + b u s h + h e r b ”2 0 a r b o r o u sa n db u s h ys p e c i e sa n d9h e r b a c e o u ss p e c i e sw e r es e l e c t e da n dp l a n t e di na 12 0 0m 2e x p e r i m e n t a lp l o tw h i c hl o c a t e di nt i a n z i l i n gl a n d f i l ls i t et os c r e e np l a n t s t o l e r a n tt ot h es t r e s so fh i g hc o n c e n t r a t i o no fj a n d 右l 】g a s r e s u l ti n d i c a t e dt h a t 尸i n l 1 s e l l i o t t i i , c e r c i s u l i a n a e c e r c i sc h i n e n s i s 。p h o t i n i as e r r u l a t a e r a g r o s t i sp i l o s a f e s l u c ao v i n a ，c h e n o p d i u mg l a u c u ma r et o l e r a n tp l a n t ss u i t a b l et ob ep l a n t e di n y o u n gl a n d f i l ls i t e w h e nt h et h i c k n e s so ft h el a n d f i l lc o v e rs o i l i s6 0c m t h eo p t i m a l c o n c e n t r a t i o no fs e w a g es l u d g ea d d e dt ot h es o i lf o rt h eg r o w t ho fs e l e c t e dp l a n t si s l o i na d d i t i o n p i n u se l l i o t t i i ，as e l e c t e dp l a n t ，w a su s e dt oi n v e s t i g a t ei t s m i c r o b i o l o 画c a lm e c h a n i s mi nt o l e r a t i n gt h el a n d f i l ig a s r e s u l ts h o w e dt h a tt h et o t a l n u m b e ro fb a c t e r i aa n ds h a n n o ni n d e xo fb a c t e r i a ld i v e r s i t yi nr h i z o s p h e r es o i lo f p i n u se l l i o t t i ip l a n t e di n1 a n d f i l ls i t ew e r ed e c r e a s e da sc o m p a r e dt ot h a ti n n o n l a n d f i l ls i t e i n d i c a t i n gt h a tt h eg r o w t ha n dm e t a b o l i s mo fr h i z o s p h e r eb a c t e r i a c o u l db ei n h i b i t e db yt h el a n d f i l lg a s o nt h ec o n t r a r y n u m b e r so fm e t h a n eo x i d a t i o n b a c t e r i ai nr h i z o s p h e r es o i lo fp i n u se l l i o t t i “n c r e a s e dw i t ht h es t r e s so fi a n d f i l 】g a s a n dw i t ht h ea d d i t i o no fs e w a g es l u d g e n e v e r t h e l e s s ，t h e r ew a sn or e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h en u m b e ro fm e t h a n eo x i d a t i o nb a c t e r i aa n dt h em e t h a n eo x i d a t i o n a c t i v i t i e si nr h i z o s p h e r es o ijo f 尸i n h i se l l i o t t i iw i t ho rw i t h o u tt h ea d d i t i o no fs e w a g e s l u d g e f u r t h e r m o r e t h ea d d i t i o no fs e w a g es l u d g ei n t ot h ec o v e rs o i lc a ne i t h e r i n c r e a s et h en u m b e ro fb a c t e r i a f u n g ia n da c t i n o m y c e t eo rs h a n n o ni n d e xo fb a c t e r i a l d i v e r s i t yi nr h i z o s p h e r es o i lo fj d 加酣e l l i o t t i fp l a n t e di nl a n d f i l ls i t e h o w e v e r , w i t h t h ei n c r e a s eo fs e w a g es l u d g ei nc o v e rs o i 】s h a n n o ni n d e xo fb a c t e r i a ld i v e r s i t yi n r h i z o s p h e r es o i lo fp i n u se l l i o t t i jp l a n t e di nl a n d f i l is i t eb e c a m er e l a t i v e l ys t a b l e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea d d i t i o no fc e r t a i nq u a n t i t i e so fs e w a g es l u d g ei sc o n d u c i v e t ok e e pt h eb a c t e r i a lc o m m u n i t yc o m p o s i t i o ni nr h i z o s p h e r eo fp i n u se l l i o t t i ip l a n t e d i nl a n d f i l ls i t e k e yw o r d s ：t i a n z i l i n gl a n d f i l l ；p l a n ti n v e s t i g a t e ，p l a n ts e l e c t i o n ，m i c r o b i a lt o l e r a n t m e c h a n i s m 浙江大学碗：l 论文 第一章文献综述 随着我国社会经济的发展，城市化和居民生活消费水平的提高，城市生活垃 圾的产量迅速增加，我国已有6 8 8 个城市，2 0 0 3 年城市生活垃圾产生量达14 8 亿吨，且f 以每年8 1 0 的速度递增，城市生活垃圾的堆存量己达6 0 0 亿吨，有 2 0 0 多座城市已陷入垃圾包围之中，城市生活垃圾的污染已成为环境污染的主要 因素之一，阻碍了我国城市的发展。目前，根据我国目前的经济状况和今后城市 生活垃圾的发展趋势，在相当长的段时间内，卫生填埋法仍将是我国城镇生活 垃圾无害化处理的主要方式和主要处理手段。我国的城市生活垃圾处理及污染 防治技术政策明确规定：卫生填埋是城市生活垃圾处理必不可少的最终处理手 段，也是现阶段我国城市生活垃圾处理的主要方式眦】。 然而，随着社会经济的持续快速发展，城市生活垃圾的卫生填埋技术同益暴 露了其局限性：垃圾填埋场占地面积大，需要大量覆盖土源，不仅消耗大量土地 资源，垃圾填埋作业严重影响了周边生态景观，填埋场终场表面植被自然恢复缓 慢，致使垃圾填埋场大量的土地资源闲置浪费，土壤持水力差，缺乏清污分流特 性，导致垃圾填埋场渗滤液产量增加，恶臭气体直接排放到大气中，己成为周边 地区水环境和大气环境重要污染源。因此，目前有关垃圾填埋场植被调查、耐性 植物的筛选及其耐性机制和填埋场终场植被恢复重建同渐引起人们的关注，成为 关于固体废弃物填埋研究的一个热点口。“。 1 1 垃圾填埋场植被调查及适生植物筛选研究进展 在垃圾填理场的植被调查和适生植物的筛选方面，国内外已经有许多学者和 工程人员作了积极的尝试。 美国圣地亚哥( s a n d i e g o ) 的m i r a m a r 填埋场在当地环境服务部门的帮助下， 使用高质量的堆肥和填埋场育苗基地培育的本地植物品种，在其】5 0 英亩的封场 区域进行了大规模的植被恢复，改变了封场区域干裂贫瘠的不毛之地，将其重建 为和未作填埋场使用6 f 类似的开放绿地。当地环境部门在填埋场地区建造了专门 的育苗基地，其温室配有自动增湿器和与通风控制相连的温度控制装置，以保证 浙江大学硕：l 论文 内部具有合适的温度。培育的植物包括加州山艾树、鹿草、漆树等。m i r a m a r 填 埋场整个的占地有1 4 3 0 英亩，未封场部分将于2 0 1 1 年使用完毕。填埋场的植被 恢复是填埋场环境保护最后阶段的责任，最终将重建封场后的填埋场地区整体的 自然环境。f l o w e r f l3 1 等曾在美国境内调查了接近1 0 0 个垃圾填埋场， 发现填埋 气体对填埋场植物的生长有很强的胁迫作用。m u t a s e me 1 f a d e l 等人也对填埋场 的两大产物填埋气体和渗滤液对填埋场植物生长的影响进行了研究，认为植物根 区甲烷氧化导致氧气的缺乏，制约了植物的生长，并且甲烷氧化过程中，土壤温 度的升高，对植物的生长也有潜在的危害，同时二氧化碳浓度的升高对揎物的生 长也有明显的毒害作用。 国内林学瑞【1 4 】等对中山市个关闭了5 a 左右的垃圾卫生填埋场进行植物 自然定居与植被恢复等方面的调查研究，结果表明，垃圾填埋场的植被自然恢复 得很好，总盖度达到9 8 ，以草本植物为主，灌木为辅，另外还有少量的藤本植 物和乔木存在。本次调查共记录高等植物7 4 种，隶属6 3 属3 0 科，优势种为 狗牙根，亚优势种包括苦楝、胜红蓟、蟛蜞菊、加拿大飞蓬、小牵牛、鸭跖草、 少花龙葵、鸡矢藤、红斑一品红、牛筋草、类芦和田菁等1 2 种植物，其中类芦、 加拿大飞蓬和胜红蓟是本垃圾填埋场植被恢复先锋植物。吉崇酷【9 2 】等人对沈阳 赵家沟垃圾填埋场已封场两年的区域的植被调查共收集野生草本植物有1 6 种， 覆盖度由高至低顺序依次为马氏蓼、小藜、大红蓼、益母、加蓬、因陈、黄蒿、 大蓟、小蓟、水蒿、洋铁酸膜、胡枝子、萎陵菜、扁蓄、接骨木、野艾蒿，并提 出了6 种适于沈阳地区垃圾填埋场生长的植物种主要包括，银中杨、接骨木、丁 香、臭椿、马氏蓼和水蔫。黄立南15 , 1 6 1 等人的研究表明，填埋气体和渗滤液等因 素是影响填埋场植物生长的主要因素，并指出了耐性树种筛选的重要性，应考虑 用不同类型植物( 如草本、灌木及乔木) 的几个种的组合以达到最佳的复垦效果。 敦婉如1 17 j 等人的研究发现，c h 一是影响垃圾填埋场植物成活的主要因素，并筛选 出抗性较好的植物枸杞，苦谏、紫穗槐、刺槐、白蜡树、女贞、苜蓿、画眉草、 牛筋草和知风草等十几个品种。舒俭民hs 等通过在青岛胡岛垃圾场的现场试验 研究指出，垃圾中有机质发酵所产生的甲烷气体是抑制树木成活和生长的关键 因素，并发现适宜填埋场种植的抗性较强的树种是枸杞、苦谏、紫穗槐、白蜡树、 女贞、余银木、f 木、臭椿、龙柏等。上海市废弃物处置公司的周乃杰等以上海 2 浙江人学砸： 。论文 老港垃圾填埋场建立的植被生态系统为例展丌调研，比较了各种作物生长情况和 植被与未植被土城的理化性质，证明了植被能改善填埋场的土壤生态环境，吸收 垃圾中大量的有害元素，对污染物起到降解和削减作用，并能减轻周边地区的大 气污染程度，使填埋场的环境质量及其景观均有所改善。高英吉等还用氚栽法研 究了垃圾土种植不同植物的效果及其生态毒性。研究结果表明，垃圾堆上栽种各 种植物均可成活，但由于作物和牧草可食部分的重金属含量超标，因此垃圾堆上 可直接种植草坪和观赏花卉等，而不宜直接种植粮食作物和牧草。 1 2 垃圾填埋场适生植物耐性机制研究进展 研究垃圾填埋场适生植物耐性生长机制，是加快垃圾填埋场植被恢复进程， 恢复土地利用价值，改善城市景观生态的理论依据。目前对垃圾填埋场适生植物 耐性生长机制的研究主要集中在植物与填埋覆土甲烷氧化，植物对污染物的吸收 等方面。 1 2 1 填埋覆土甲烷氧化微生物学机理研究进展 甲烷是填埋气体的主要成分之一，约占填埋气体总量的6 0 。甲烷被普遍认 为对植物是惰性的，但它可以通过直接的气体置换作用或通过甲烷氧化菌对氧气 的消耗( 或者二者兼而有之) ，降低植物根际的氧气水平，从而对植物的生长产生 间接的影响吟2 ”。m u t a s e me 1 f a d e l 等人也认为植物根区甲烷氧化导致氧气的缺 乏，制约了植物的生长，并且甲烷氧化过程中，土壤温度的升高，对植物的生长 也有潜在的危害。许多国家和地区包括芬兰、香港、美国、英国等在垃圾填埋场 的植被恢复过程中先后遇到了诸如植物生长不良、高死亡率、植株矮化、生理失 调等种种问题。以上多数学者怀疑，最终覆土层填埋气体的存在可能是植物高死 亡率及植株矮化的主要原因之一。 1 2 11 填埋覆土甲烷氧化微生物及其研究方法 填埋覆土中的含有甲烷氧化菌，已被证明可以有效地氧化甲烷，减少甲烷的 排放量2 3 】。甲烷氧化菌是一种革兰氏阴性菌，严格寡营养型细菌，以甲烷为唯 一的碳源和能源【2 4 。2 8 1 。自1 9 0 6 年首次分离出甲烷氧化菌以来【2 ，至今已经发 现的甲烷氧化菌共有8 个属，主要包括甲基单胞菌属( m e t h y l o m o n a s ) 、甲基细菌 属( m e t l o b a c t e r ) 、甲基球菌属( m e t l o c o c c u s ) 、甲基孢囊菌属( m e t h y l o c y s t i s ) 、 1 浙江人学顺j + 论义 甲基弯曲菌属( m e t h y , l o s i n u s ) 、甲基微菌属( m e t h ，, l o m i c r o b i u m ) 、 如咖, o c a d u m 和 m e t h y o s p h a e r a 【_ 3 0 , 3 t 】。根据代谢途径、膜结构、主要磷脂脂肪酸成分等系列特征， 可将甲烷氧化菌分为l 型、i i 型和x 型三大类型。i 型甲烷氧化菌包括 m e t h y l o m o n a sm e t y , l o b a c t e r 、m e t h ) i o c o c c u s 、m e f h ) d o m i c r o b i u m 、m e t h ) , l o c a d u m 、 胁啦 l o s p h a e r a 等6 属，它们利用5 磷酸核酮糖途径( r u m p p a t h w a y ) i n 化甲醛， 在氧化甲烷的过程中构建自己的细胞组成，主要含1 6 - c 脂肪酸，胞内膜成束分 布，属于变形杆菌纲( p r o t e o b a c t e r i a ) 的y 亚纲。i i 型菌同化甲醛的途径是丝氨酸 途径( s e r i n ep a t h w a y ) ，其占优势脂肪酸为1 8 c 脂肪酸，胞内膜分仰于细胞壁的 周围陋3 ”，它们属于变形杆菌纲( p r o t e o b a c t e r i a ) 的亚纲，主要包括m e t h y l o s i n u s 和m e t h y t o c y s t i s 。此外，人们将一类类似于m e t t o c o c c u sc a p s u a t u s 的甲烷氧化 菌归为x 型。x 型与i 型相似均利用r u m p 途径同化甲醛。但是x 型含有低水 平的存在于丝氨酸途径中的核糖双磷酸羧化酶，它们的生长温度比i 型和i i 型高， 其d n a 中g c 比大多数的i 型高3 6 。9 1 。研究发现，i i 型菌和x 型菌能固氮而 大多数i 型菌不能。i x 型属于甲基球菌科( m e t l o c o c c a c e a e ) ，而i i 型属于 甲基孢囊菌科( 庇，砂，o t ”f d c p ) 。 甲烷氧化菌的研究方法主要有两种。一种是采用传统的微生物培养技术将微 生物分离培养，通过形态和生理生化特性进行分类鉴定【4 2 】。一种是采用分子生 物学方法。它利用现代p c r 技术结合环境微生物分子生态学研究方法直接从环 境样品中检测和分析甲烷氧化菌。填埋场甲烷氧化微生物分子生念学研究方法主 要有p c r 、变性梯度凝胶电泳技术( p c r - d g g e ) 、末端限制性片段长度多念性 分析技术( t - r f l p ) 、磷脂脂肪酸分析技术( p l f a ) 以及荧光原位杂交技术( f i s h ) 等1 4 3 4 4 1 l 。 p c r 是一种利用d n a 变性与复性原理在体外进行特定d n a 片断高效扩增 的技术。p c r 技术在甲烷氧化菌研究中的应用相当广泛，许多研究致力于设计 针对甲烷氧化菌的p c r 特异性引物。然而目前的研究仍未发现可以对甲烷氧化 菌各个属均进行扩增的专性引物。m a r k 等人【4 5 。4 7 1 对垃圾填埋场甲烷氧化菌群多 样性进行研究，发现m e t ht 1 d f 和m e t ht 1 b r 引物对可以扩增大部分i 型甲烷 氧化菌，而m e t h t 2 r 和2 7 f 引物x c n 可以扩增大部分1 j 型甲烷氧化菌。 d g g e 是一种分析环境微生物种群多样性的重要方法。d g g e 的条带特征能 4 浙江大学坝j ：论文 够迅速并全面反应出环境样品中d n a 或r n a 序列的多样性，并能较为直观地 展现主要微生物的结构与数量的相对变化。凝胶上分离的谱带可以经割胶回收， p c r 重新扩增进行序列分析比对，为进化的亲缘关系提供证掘而无须经过克隆 f 4 8 。j e n s o n 等【4 9 】用1 6 sr r n ap c r d o g e 对以甲烷作为唯一碳源和能源的农田 土壤培养物的多样性作了评估，并据此结果认为存在一新的甲烷氧化菌。m a r k 等人【45 j 利用g c 3 5 8 f 一5 1 7 r 引物对，对填埋场i 型及i i 型甲烷氧化菌的多样性进 行了d g g e 分析。结果发现i 型甲烷氧化菌有7 种不同的谱带，而其中在低浓 度变性胶中产生的条带难以解释；甲烷氧化菌i i 型则有9 种不同的谱带。然而填 埋场甲烷氧化菌d g g e 分析结果并非都能与1 6 sr r n a 的序列形态相关，研究中 发现d o g e 条带只有少数可以通过分子克隆予以分离，有些属的甲烷氧化菌是 无法通过分子克隆序列分析或者纯培养的方式获得。 t - r f l p 技术是利用一定的标记引物对样品中d n a 进行特异扩增，然后进 行限制性内切酶酶切，检测末端限制片段的多样性，主要应用于微生物群落组成 和结构、微生物系统发育及其菌种鉴定等研究，是- t 0 应用比较广泛的微生物生 态学研究方法。与其它微生物分子生态学研究方法相比，t - r f l p 具有较高的灵 敏度和分辨率。n a n c y 等人【46 j 利用t - r f l p 方法对栽种了不同植物的模拟垃圾填 埋场反应器土壤中甲烷氧化微生物进行了研究，研究发现m e t h ) ，l o b a c t e r 和 m e t h y l o c y s t i s 分别是填埋场i 型和i i 型甲烷氧化菌中数量最多的属。填埋场覆土 植物类型对填埋覆土i 型和i i 型甲烷氧化菌的生态分布影响显著。研究还发现填 埋气体对甲烷氧化菌的多样性影响显著，与不通入模拟填埋气体的土壤相比，通 入模拟填埋气体的土壤，】型甲烷氧化菌多样性指数相对较高。 p l f a 技术也被成功的用于湿地环境和填埋场覆土甲烷氧化菌的研究卜1 9 i 。甲 烷氧化菌含有特殊的磷脂脂肪酸：l 型甲烷氧化菌和x 型甲烷氧化菌通常含有大 量1 6 - c 脂肪酸，特别是1 6 ：1c 0 5 t ，1 6 ：1c 0 6 e ，1 6 ：1 0 8 c 脂肪酸。而i i 型甲烷氧化 菌中1 8 - c 脂肪酸含量非常丰富，尤其是1 8 ：1c 0 8 c 和1 8 ：1 0 ) 7 c 。这些特殊的脂肪 酸可以用于环境样品甲烷氧化菌群结构与组成多样性的分析5 0 _ 5 ”。 f i s h 技术是环境微生物生态学研究的重要方法。应用f i s h 技术不需分离纯 化便可实现复杂环境样品中难培养生物的原位形态、数量及其分布等特性的分析 与测定f 4 9 1 。h a n s o n l 5 3 l 等设计出了对甲烷氧化菌具有相当广泛性的g | 生寡核苷 浙江大学硕f ? 论文 酸探针，但是至今仍未有针对所有甲烷氧化菌的1 6 sr r n a 的寡核苷酸探针。 m a r k 等人【47 】利用1 6 sr r n a 技术对填埋场甲烷氧化菌研究发现，与填埋场大部 分甲烷氧化菌i 型相关性最高的是m e t h y l o b a c t e r ，但其序列相似性程度较低，仅 在9 6 1 一9 4 4 之间，而填埋场甲烷氧化菌i i 型的5 个条带与m e t h y l o e y s t i s 序列 相似性较高，达9 79 9 9 1 。h o l m e s 等【5 2 1 根据一种己知甲烷氧化菌1 6 sr r n a 的序列，合成两个带有5 端有罗月明荧光标记的寡核苷酸探针，用f i s h 技术测 定了甲烷氧化菌的数量。尽管f i s h 技术存在着许多优点，但由于环境中细胞生 长率低，微生物细胞壁穿透性差异大以及荧光背景的干扰影响了f i s h 技术在填 埋场甲烷氧化菌微生物学研究中的应用。1 6 sr r n a 探针技术可用于甲烷氧化菌 种群及其生态分布进行分析研究。 1 2 1 2 填埋覆土甲烷氧化机理及其影响因素 填埋覆土甲烷氧化主要发生在覆土层0 - 3 0 e r a 深处。研究表明0 - 3 0 c m 土层 中甲烷氧化菌数量最多，活性最强，甲烷氧化速率最高可达2 9 0gm 。d 。 4 4 , 5 3 , 5 4 。 填埋覆土中甲烷氧化菌氧化甲烷主要过程可分为四步。第一步，甲烷在甲烷单加 氧酶( m e t h a n em o n o o x y g e n a s e ，m m o ) 催化作用下氧化为甲醇。甲烷单加氧酶 是甲烷氧化菌主要特异性酶之一，分为颗粒状或膜结合甲烷单加氧酶( p a r t i c u l a t e m e t h a n em o n o o x y g e n a s e ，p m m o ) 和可溶性甲烷单加氧酶( s o l u b l em e t h a n e m o n o o x y g e n a s e ，s m m o ) 两种不同类型。第二步，甲烷氧化产生的内源甲醇和 由几丁质及木质素降解形成的外源甲醇在甲醇脱氢酶( m e t h a n o ld e h y d m g e n a s e ， m d h ) 的作用下氧化成甲醛。所有革兰氏阴性甲基氧化菌都有编码甲醇脱氢酶 大亚基的m x a f 基因，其序列高度保守，因此甲醇脱氢酶可以作为革兰氏阴性甲 基氧化菌在环境中存在的良好指示剂。甲醇氧化过程中，电子首先由甲醇脱氢酶 转移到专性甲醇脱氢酶电子受体细胞色素c 1 ，再将电子转移给专门负责甲醇氧 化的典型细胞色素c 口2 1 。也有人研究吲认为甲醇脱氢酶氧化甲醇释放的电子可 被p m m o 直接再利用，使得p m m o 氧化甲烷的效率要高于s m m o 。第三步， 甲醛在甲醛脱氢酶( f a d h ) 的作用下氧化成甲酸。同时，i 型甲烷氧化菌可以 利用r u m p 途径同化甲醛，作为其生长繁殖需要的碳源和能源，i i 型甲烷氧化 菌则通过丝氨酸途径完成这个同化作用【5 ”。最后一步是甲酸在甲酸脱氢酶 ( f d h ) 的作用下氧化为c 0 2 。甲醛氧化为甲酸，继而氧化成c 0 2 的整个过程 6 浙江大学颂f j 论文 产生了整个甲烷氧化过程所需的还原力。 大量研究表明阻5 6 “1 垃圾填埋场填埋覆土具有很高的甲烷氧化能力，影响甲 烷氧化的主要因素有土壤结构与养分状况、湿度、温度、甲烷与氧气的浓度、 n h 4 + 以及土壤p h 值。 ( 1 ) 土壤有机质 土壤中高有机质含量可能是影响填埋覆土甲烷氧化的原因之一 4 , 7 4 1 。 c h a r l o l t t e 等人【6 , 7 5 , 7 6 】对比了有机含量对甲烷氧化活性的影响，结果发现在相同进 气量的情况下，有机质含量为1 7 填埋场覆土中甲烷的平均氧化速率为l5m o l c h 4n l 2c o l u m nd 。，最大氧化速率为18t o o lc h 4m c o l u m nd ，而有机质含量为 1 的填埋覆土中甲烷最大氧化速率仅为1 2 m o l c h 4 m 2c o l u m nd 一。d a v i d 等人 的研究中也发现增加土壤中有机质含量可以明显提高甲烷的氧化活性，甲烷最大 氧化速率可达1 6 6gc h 4m 。d 。与对照相比，添加污泥的覆土甲烷氧化能力提 高了2 6 ，而添加k 2 h p 0 4 的填埋覆土甲烷氧化能力变化则不大。b a r l a z 5 7 1 等人 利用堆肥改良填埋覆土，试验结果表明，改良覆土区的甲烷氧化速率( 5 5 ) 明 显高于普通粘土区( 2 1 ) 。 ( 2 ) 湿度 有关土壤湿度对甲烷氧化速率的影响研究结果基本一致。一般认为土壤最大 甲烷氧化速率集中在土壤湿度为1 8 2 5 之间5 9 , 7 8 。w h a l e n 等【5 9 峙艮道甲烷氧化的 最佳土壤湿度在1 0 - 2 0 之阳_ j ，过高的湿度会降低甲烷氧化菌的氧化速率，当土 壤湿度达到3 5 w w 时，甲烷氧化速率极低。他们认为土壤含水量的提高制约了 空气在土壤中的传输，从而制约了甲烷的氧化，同时也抑制了其他各种微量气体 的降解。g u n n a r 等人【6 6 】研究了不同湿度条件下，高有机质含量填埋覆土甲烷吸 收和利用情况，结果发现，在高湿度条件下，甲烷和氧气的扩散限制了甲烷的氧 化，同时这种高湿度环境促进了n h 4 + 的积累电抑制了甲烷的氧化，然而研究也 发现在高湿度条件下，甲烷的存在能促进氮素的循环。 ( 3 ) 温度 甲烷氧化速率在2 - 2 5 。c 之间，以指数形式增长，并且在3 0 。c 时达到最大氧 化速率。温度达到或超过4 0 。c 以后，甲烷氧化速率明显下降，达到5 0 。c 时， 7 浙江人学倾l j 论文 甲烷氧化作用完全受到抑制。研究发现在2 c 时，甲烷氧化作用仍然存在，表明 既使在冬季甲烷氧化菌仍然可以有效地氧化甲烷，降低垃圾填埋场甲烷的排放 量。但是，冬季垃圾填埋场甲烷的氧化速率明显低于夏季 7 7 , 7 8 1 。g u n n a r 等人 6 6 】 在实验室旱采用p l f a 技术丌展了温度对甲烷氧化作用的影响研究，结果表明甲 烷氧化菌对温度具有选择性，低温有利于i 型甲烷氧化菌的生长，高温则有利于 i i 型甲烷氧化菌的生长。这说明甲烷氧化菌可以适应季节变化，可以在不同季节 有效地氧化甲烷，但承担氧化作用的主要甲烷氧化菌种群结构则发生了变化。 ( 4 ) n h 4 + n t q 【。+ 的抑制机制目前还不是十分明确。一般认为n h 4 + 可与甲烷竞争m m o 上的活性位点从而抑制甲烷的氧化作用【2 5 】。研究也发现高浓度的n h 4 + ( 1 4m g n h 。+ k g 。) 可以明显抑制甲烷的氧化作用。但是最近的研究发现，n h a + 浓度 的升高并不总是直接抑制甲烷氧化，而可能是由于硝化速率的提高或氮素的转 化，抑制了甲烷的氧化。g u n n a r 等人6 6 1 在实验中应用p l f a 图谱分析发现i 型 甲烷氧化菌比i i 型甲烷氧化菌对n h 4 + 的抑制作用的承受力要大。d a v i d 等人的研 究1 7 5 l 发现添加n i - i a n o ，后，填埋覆土甲烷氧化能力下降了6 4 。这种现象通常 被解释为n h 。+ 浓度的抑制作用，但d a v i d 并不完全认同这种观点，他认为n h 4 + 抑制作用并不能全部归属于n h 4 + 浓度的升高，n h 4 + 对甲烷氧化具体抑制作用机 制还有待于深入研究。 ( 5 ) 甲烷和氧气浓度 g u n n a r 等人的研究发现在高甲烷浓度下，氧气主要被甲烷氧化菌利用， 但是大部分的甲烷并未最终生成二氧化碳，而是被甲烷氧化菌利用合成了生物 质。甲烷和氧气浓度对甲烷氧化的影响可分为两种情况：一种是甲烷限制性( c h 4 浓度 1 6 0p p v ，0 2 浓度接近空气中的浓度) ，另一种是氧气限制型( c h4 浓度在 1 7 v ，0 2 浓度在15 18 v v ) ，由于氧的可利用性制约了甲烷的氧化，因此可 以通过改良覆土来增加含氧量，从而促进甲烷的氧化。 ( 6 ) p h 甲烷氧化菌氧化甲烷的最佳p h 被认为是在中性p h 值范围( p h 值介于 6 5 75 ) 5 7 7 5 , 7 6 1 。但也有研究认为甲烷氧化的最适p h 值在6 6 6 8 【7 6 l 。h i l g e r 等 8 浙江人学倾= 卜论文 人的研究发现添加石灰可以明显提高甲烷的氧化速率。但是由于垃圾填埋覆 土层具有很强的p h 缓冲能力，因此，p h 值对甲烷氧化的影响的重要性也就相 对减弱了。 1 2 2 植物对污染物吸收的研究进展 目前有些研究发现填埋场植被，可以使有害物得到净化，消除污染。通过植 被生长，使质地结构差的废弃地得到治理和改良，与其它方法相比，经济、简便 易行，得到的效益显著，是值得推广应用的一种处理方法，通过生态系统运作， 不仅增加了绿色植物，合理利用了土地资源，而且还可大大改善城市环境质量和 景观。 崩东等人在城市垃圾填埋场上种树、种草进行植被恢复的基础上，分析测定 了垃圾土中营养元素被植被吸收利用，其中有机质为7 02 8 、n 为6 02 9 、p 为 8 1 8 5 、k 为8 8 0 7 ，有效成分促进了植物生长。植物对垃圾土中有害物一重 金属可吸收积累，减少污染，对七种重金属污染削减率，灌木植物为3 2 2 5 5 4 4 6 ，草本植物为1 8 6 8 7 8 4 6 。张淑娟等人对超负荷运转中的广州市李坑生 活垃圾填埋场周围的植被现状进行了调查，测算了物种量、覆盖度、污染状况等。 同时运用植被覆盖度、结构、物种量和相对物种量等级评价以及对z n 、c d 等6 种 污染物的质量指数进行了评价。结果表明，植物重金属元素的含量水平以c u 、 p b 两种元素最高，污染指数最大值为l8 9 6 。所调查填埋场场区及灌区内有轻度 污染，而场外与灌区外则相对较轻或无污染。周乃杰等人对上海老港垃圾填埋场 的植被的研究发现形成的各种类型植被，通过根系可吸收、积累垃圾途中的有害 元素，使有害物质得到降解和消减。植物吸收的重金属是通过输导、迁移分配到 根、茎、叶、籽粒中，分配规律以生物学特征不同而有差异。 1 3 垃圾填埋场植被恢复技术研究进展 1 1 3 1 植被恢复理论研究 植被恢复来源于恢复生态学，恢复生态学是研究生态系统退化的原因、退化 生态系统恢复与重建的技术与方法、生态学过程与机理的科学。恢复生态学最早 是由西欧学者提出的，它是现代生态学的年轻分支学科之一，在一定意义上讲恢 9 浙江火学f i ! ： ：卜论立 复生态学是一门生态工程学( e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) 或生物技术学 ( b i o t e c h n o l o g y ) 。 同本著名植被生态学和环境保护学家宫胁b 翟( p r o f a k i r am i y a w a k i ) 博士提出 的“近自然森林”理沦和他提倡的“宫胁造林法( 简称宫胁法) ”已在植被恢复和重 建中得到了广泛的应用吣8 ”。“近自然森林”是植被恢复的一种新理念。进一步可 概括定义为：以后期自然生长为主，应用“模拟自然”的手法所营造的在种类组成 和群落结构上与区域顶级群落相接近的人工森林。“近自然森林”通过人工营造与 植被自然生长的完美结合，超常速、低造价地建造以地带性森林类型为目标，群 落结构完整、物种多样性丰富、生物量高、趋于稳定状态、后期完全遵循自然循 环规律的“少人工管理型”森林。 宫胁法的理论基础是潜在植被( p o t e n t i a lv e g e t a t i o n ) 和演替理论( s u c c e s s i o n t h e o r y ) ，并强调和提倡用乡土树种建造乡土森林( n a t i v ef o r e s tw i t hn a t i v e t r e e s ) 【8 1 】。演替理论是指一个群落被另一