文摘

eco-restoration是一种非常有效的措施解决环境污染的问题造成的暴露出石煤矿矿表面的网站。在这项研究中,占主导地位的植物,Indigofera amblyanthaCraib,适应eco-restoration无烟煤矿区。营养元素的变化,pH值、重金属在基质材料中,生物/转移因子浓度和分布及根际土壤中细菌和真菌的多样性进行调查。结果表明,植物群落帮助延缓营养元素和重金属的浓度的增加eco-restoration过程。的Indigofera amblyanthaCraib得天独厚的丰富和转移能力的Cd,铜、锰、及其在根际土壤微生物群落的多样性指数高于其他样。这些优秀的属性中发现这项工作帮助揭示洞察的适应性Indigofera amblyanthaCraib eco-restoration的石煤矿。它是有价值的评估Indigofera amblyanthaCraib eco-restoration工程石煤矿和扩展应用的重金属污染的网站。

1。介绍

石煤是一种可燃与低碳的特点,低发热,高灰分、高硫1,2]。石煤的组成与多金属复杂相关成分(3,4]。因此,石煤钒(V)的一个重要资源2]。超过87 wt。% V来自国内储备的无烟煤在中国(5]。V已经广泛应用于化学工业、冶金、原子能、航空等6- - - - - -8]。然后,V的需求增加导致的强化开采煤矿石(9,10),形成一个光秃秃的山坡,垃圾成堆暴露在空气中。酸性矿山放电(AMD)成立,当这些光秃秃的矿物质被氧气氧化,接触到雨水(11,12]。未来AMD可以溶解一些重金属排入水(13,14]。重金属的浸出浓度无烟煤在很大程度上依赖于溶液pH值(15),10.41%的Cd, 0.07%的铅可以释放无烟煤在pH值为3.5(7天16]。细粒大小的石头煤、铅的溶解率,,Cd,和V是0.95%,2.96%,0.25%,和0.35%后100天在pH值4.5解决方案,分别是(17]。这些重金属进一步动摇了周围的农田和河流,造成周围环境情况的网站石煤废物是不乐观的18]。因此,这是一个迫切需要解决的问题在石煤矿环境污染。

eco-restoration是一个非常有效的措施防止AMD形成和绿色我接触表面(19- - - - - -21]。然而,由于缺乏水的条件下,营养,和植物生长的土层,和极端的小气候,土壤条件,和重金属污染,很难暴露岩石边坡的eco-restoration石煤矿(21- - - - - -27]。切割和排序的斜坡,覆盖土壤,种植植物的主要方法是目前(28- - - - - -30.]。植物的生长状况是衡量生态修复的一个重要标准。因此,选择宽容的植物物种是生态修复的关键。例如,香附子(l)珀耳斯。雀稗paspaloides,结缕草粳稻Steud用于边坡植被恢复在中国东部。洋槐pseudoacacial .,Indigofera amblyanthaCraib被用于公路和铁路的斜率为生态修复(31日,32]。这些植物的特点强耐旱和耐不孕。此外,Indigofera amblyanthaCraib钨矿山网站用于生态修复(33),发现有适度的宽容和生物体内积累能力Pb和Cd [34,35]。然而,干旱、养分损失,重金属胁迫是植物的重要限制因素在这些网站上建立(36]。但仍有植物,能在极端环境中顽强地生长。因此,这些植物有独特的适应不利的环境。

在这项研究中,我们首先发现Indigofera amblyantha Craib生长在石头煤矿后人工eco-restoration和边坡主要灌木植物。然而,有一个缺乏适应性的研究Indigofera amblyanthaCraib重金属污染的网站和重金属的耐受性。因此,的发展Indigofera amblyanthaCraib密切相关的影响因素和土壤中重金属的分布,有助于理解的适应性Indigofera amblyanthaCraib。因此,这些发现有助于指导eco-restoration石煤矿的工程。

2。材料和方法

2.1。学习网站和生态工程

石煤矿的生态修复工程的网站在Nijiang口,湖南益阳。该地区属于亚热带湿润大陆季风气候。生态修复工程的总面积约为75000米²2019年3月,建设完成。在这项研究中,3000的代表区²被选为研究区未来分析恢复过程的变化。

生态修复工程采用挂网后厚层基材喷射植被恢复(37]。生态工程是按照顺序进行镀锌钢丝网系的过程中,草本纤维添加到网格,基材和种子喷,无纺织物。生态修复工程的详细描述是文本所示S1补充信息(SI)。

2.2。材料用于生态工程

衬底材料是由多种材料混合,包括土壤、泥炭土壤、锯末、有机肥,复合肥,聚合剂、保水剂、biobacterial粪肥,按照一定比例(表和种子S1)。土壤粘红土( , )没有石头和砾石。泥炭土壤和锯末被用来改善土壤结构,增加有机质的含量,节约用水,防止损失。有机肥料是猪粪发酵的产物( )。复合肥料可以提供氮、磷、钾对植物生长(中国农业材料集团, , ,和 )。聚合剂可以改善土壤结构,促进氧气供应(由湖南ZhiLan提供生态环境建设有限公司)。土壤水分保持剂的阴离子聚丙烯酰胺(PAM)(上海Wshine化工有限公司,上海,中国,粒子直径0.02毫米,活性成分浓度99.9%)。biobacterial肥料可以加速基材微生物生命活动和改善营养和植物吸收营养的变换。

植物种类的选择是基于成功的报道从常见的岩石边坡工程及类似矿山修复(38- - - - - -40]。表S2列出所选的植物种类和密度使用应用于岩石边坡生态工程。

2.3。样本收集和分析

调查时间eco-restoration后持续了2年。12个样本建立在四个不同的地点在自习室评估植物物种在生态工程修复和社区。的Indigofera amblyanthaCraib优势种的灌木状的社区由于它重要值最高(IV)(详细见文本S2),它可以反映一个物种的地位和作用在一个给定的社区(41]。基材的采样和处理方法和植物(根、叶、茎木质部、茎韧皮部和水果/种子)看到文本S3。

pH值、总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)、总有机碳(TOC),可水解的氮(HN),磷(美联社),可用钾(AK)衬底材料的样本进行了分析。pH值是由电位滴定方法。有机质(TOC)测量了重铬酸钾外加热法(42),磷和总磷(TP)和(美联社)测定碱融合和碳酸氢钠提取Mo-Sb antispectrophotometric方法,分别为(43,44]。总氮(TN)和hydrolysable氮(HN)凯氏氮测定的分析方法(45)和碱水解扩散法(46]。总钾(TK)和可用(AK)原子吸收光谱法测定钾(47)和醋酸extraction-flame光度法(48]。重金属的含量,包括铅、Cd, Cr,,铜、锌、镍、锑、锰、无烟煤和V,人工土壤和植物,是衡量ICP-OES(美国PerkinElmer NexION 350 x)在消化组织后中国国家食品安全标准的确定多个元素(GB5009。268 - 2016)。

根际微生物的组成与植物适应性也有一定的关系。对细菌和真菌的提取分析微生物多样性,衬底材料抽样的一部分存储在−20°C 21月植被恢复后(2020.12)。此外,邻自然环境样本补充,包括竹林,稻田,河流浅滩沉积、草原、暴露沟渠和无烟煤。微生物样本被送往Novogene科技有限公司有限公司(中国,北京),和测序分析基于Illumina公司NovaSeq PE250 [49]。物种的结果、聚类和基于操作分类多样性分析Novogene提供的单位(出局)。

冗余分析(RDA)被用来发现环境因素的积极或消极影响的eco-restoration多样性采用CANOCO 5.0 [50]。

3所示。结果

3.1。营养元素的衬底材料

土壤为物质和能量的交换提供了基质对植物生长和植物生长中扮演了一个至关重要的角色,特别是在生态修复的过程(51- - - - - -53]。首先,pH值明显下降从衬底材料 来 然后逐渐上升 (图S1)。酸性废水的淋溶石矿山边坡可能的主要原因导致pH值下降(54,55]。石煤矿的各种金属硫化物氧化成硫酸盐接触大气氧气和雨,造成pH值降低基材(56]。植被在生态工程修复阻止大部分氧气接触硫化合物,具有减缓AMD的形成(57]。

HN,美联社,正义与发展党与恢复时间明显下降的趋势(图衬底材料1)。接下来的浓度、美联社和AK下降了63.4%,94.8%,和83.1%,分别从起始。然而,HN和AK 21月略有增加。总N、P和K下降了49.7%,73.8%,和45.7%,分别从初始到18岁^th月。然而,下降的速率TN、TP,和TK第二年明显低于第一年,和他们的浓度从18岁开始向上趋势^th21月。雨,植物吸收的主要驱动因素是接下来的减少,美联社,正义与发展党(58]。的小增加HN的分解和AK可能litterfall [59]或动作缓慢降解的有机肥料等。值得注意的是,TOC 6以来一直在上升^th月。TOC(21个月)土层是1.88倍的初始内容。胡锦涛等人,刘等人表明植被恢复是有利于增加土壤中有机质的含量(60,61年]。原因可能在于(1)土壤中TOC层很容易被土壤吸收和泥炭矩阵和更少的损失与水(62年];(2)植物根系分泌有机酸的积累在土壤63年,64年]。它表示,恢复植被的增加有利于有机质。线性回归(LR)和非线性回归(二项式回归,BR)拟合结果表明,HN和TN之间存在显著的正相关性,美联社和TP,正义与发展党和TK(图S2)。高决定系数(LR 0.936 - -0.971和0.955 - -0.981 BR,分别)建议内容和总状态之间是密切相关的,这表明的损失 , ,和主要是形式的HN,美联社,正义与发展党。

3.2。基质材料中重金属形态的变化

尽管,光秃秃的石头煤炭已经覆盖了一层人工基质材料,但仍有重金属浸出从石煤在早期当有雨和氧(11,56]。因此,石煤仍然是一个重要的重金属的来源,它的浓度明显高于初始基材(init),除了Mn(表S3)。和锰浓度呈下降趋势从初始到18岁^th月,然后再次增加。可能的原因是,初始的速效肥料含有高水平的Mn,但它在早期恢复时间损失惨重。基质材料中重金属形态的变化趋势可以分为3组(图2):(1)先上升,然后下降,如铅、铜、某人,和V;(2)提高整体,锌、镍,和Cd;(3)增加,然后下降,然后上升,作为Cr和。原因可能是这些重金属组类似的物理化学性质和环境行为在人工土壤环境。生物浓缩因子(供应量)和生物转移因子(BTF)重金属(文本S4)显示Indigofera amblyanthaCraib丰富和Cd转移有较强能力,铜、锌、锰和Pb的好宽容,某人,V, Cr(图S3)。被根吸收后在土壤中,Cd,铜、锰主要是转移到叶子,而锌主要积累在stem-phloem和根源。它表明,Indigofera amblyanthaCraib对这些重金属的耐受。

然而,这些改变重金属在人工基质材料与多种因素密切相关,其中,植物和微生物之间的相互作用可能是重要的因素。

3.3。微生物的基质材料

细菌和真菌的分布和物种多样性进行分析(表17个土壤样品S4)从邻近的自然环境(R0,包括竹林、稻田和河流沉积物),香草和草原eco-restoration (R1),Indigofera amblyanthaCraib根际土壤(R2),其他灌木的根际土壤(R3)、光秃秃的石头煤炭(R4)和冲沟格式化的人工土壤(R5)。共有9801个辣子鸡是发现在细菌社区,这些注释82门,180类,391个家庭,547订单,905个家庭,905属,1401种。他们中的大多数属于放线菌,Gemmatimonadetes,Acidobacteria,变形菌门,Chloroflexi等。2753年真菌、辣子鸡检测是由17个类群,66类,172订单,370个家庭,761属,1072种,大多属于子囊菌类,担子,Mortierellomycota,Chytridiomycota等。

在排名前十的物种的相对多度门和属水平,有一个伟大的团体(图之间的差异S4)。虽然变形菌门和子囊菌类占据了很大一部分的每个组的细菌和真菌门水平,分别还有不同的物种的分布(图门水平S4)。物种组成的差异在属水平尤其明显。eco-restoration群体(R1、R2和R3),不同植物的根际微生物也明显不同。结合细菌和真菌物种的热图分析可能会进一步识别优势种。聚类热图的细菌和真菌在属级(图3),物种聚类组间有显著差异。伟大的物种相对多度的优势种。

细菌的丰度Meiothermus,Occallatibacter,一个未受教育的Chloroflexi细菌(1921 - 2),Acidothermus高于其他物种在R0组(自然环境)。的亚硝化单胞菌,Candidatus Jettenia,Candidatus Kuenenia主要是种药草和草地的土壤样品(R1)。根际土壤中细菌的主要物种Indigofera amblyanthaCraib样品(R2)Gemmatimonas和Conexibacter Sphingomonas,其他的灌木状的样品(R3)假单胞菌,黄杆菌属,Acidibacter。的光秃秃的石头煤样品(R4)和暴露沟渠边坡的格式化恢复(R5),主要的物种Granulicellas,链球菌和Acidiphilium,Ferrimicrobium,Acidithiobacillus,Acidibacter,Sulfobacillus,分别。

属真菌的分类地位群集比细菌组间(图明显不同3)。伟大的物种相对丰富的R0组Wickerhamiella,Piedraia,Sarcodon,R1组Clavaria,Capnodicles,Curvularia。为Indigofera amblyanthaCraib样本组(R2),缘毛,Sordariomycetes,毛壳菌属,子囊菌类,Periconia,Pyronemataceae,Tricholadium主要是属,尾孢属,穗,Hypochnicium,Arcopilus,Coniochaeta,枝孢属,葡萄孢属,Pseudopithomyces主要是属R3组。的主要属真菌在R4和R5集中在镰刀菌素,Apiotrichum,Sonoraphlyctis,Zygophlyctis,Boothiomyces和Fodinomyces,Mortierella,Talaromyces,Humicola,分别。

物种丰度和分类位置聚类反映群体之间的优势种,但没有透露表明群落结构和多样性的差异(65年]。因此,Shannon-Wiener多样性指数被用来分析组间差异(图S5)。细菌,香农指数eco-restoration组(R1, R2, R3)和相邻的自然环境(R0)明显高于裸石煤样本(R4)和沟渠(R5)。然而,真菌,香农指数的灌木状的样品(R2和R3)高于其他组。真菌的香农指数R4和R5组高于细菌。这表明不同的环境和植物群落对微生物的组成有很大的影响。值得注意的是,细菌和真菌的香农指数Indigofera amblyanthaCraib样本(R2)被上级在所有组。的Indigofera amblyanthaCraib eco-restoration中优势种对改善土壤微生物多样性有很大的促进作用。

4所示。讨论

4.1。社区和因素之间的关系

冗余分析(RDA)可以识别的因素对植物物种的影响更大50,66年]。辐射的环境因素,越长越大的影响因素。当不同环境因素和/或物种之间的角度是急性,它表示正相关,和相反,钝角代表它们之间负相关(66年- - - - - -68年]。RDA分析静脉之间的植物物种和环境因素(pH值、营养元素、TOC和重金属)如图4。前两个坐标轴解释76.4%的微生物群落变化(轴1:41.0%,轴2:35.4%)。全变差为0.841 。TOC, HN,美联社,某人,Cd,和V的衬底材料的主要环境因素是影响植物物种(图四的4)。的第四Indigofera amblyanthaCraib正相关,HN,美联社,V,和某人,负相关与TOC和Cd。它建议Indigofera amblyanthaCraib增长不受其他因素影响,接下来的增加,美联社,某人会促进经济增长。

4.2。的特点Indigofera amblyanthaCraib

Indigofera amblyanthaCraib可以生长在贫穷和pH值4.5 - -7.5土壤由于抗不孕的特点69年,70年]。此外,Indigofera amblyanthaCraib有很强的耐旱(71年,72年]。模拟干旱胁迫条件下的水通过PEG(聚乙二醇)解决方案作为营养解决方案,Indigofera amblyantha通常Craib种子可以发芽的浓度下0 - 250 g L¹挂钩,以80.2%的正常萌发率模拟干旱条件下150 g L¹挂钩(73年]。的Indigofera amblyanthaCraib可以有效防止水分流失,确保其正常生理活动在干旱条件下(74年]。的Indigofera amblyanthaCraib也可以加强roots-soil的抗拉和抗剪强度,这有助于维护eco-restoration在斜坡的稳定性,防止养分损失(75年,76年]。根的抗拉强度是21.15 - -76.08 MPa (77年,-土的最大抗剪强度约为250 KPa [78年]。因此,这些特征Indigofera amblyantha在不利的情况下Craib决定它的主导地位。

4.3。Indigofera amblyanthaCraib和微生物

此外,细菌和真菌的生物因素,也影响了社会成分和植物物种生长在某种程度上。它可以在一定程度上证实了微生物物种的丰度和聚类的差异在不同的组织(图3和S4),微生物的多样性高于其他植物物种(图S5)。的根源Indigofera amblyanthaCraib可能形成不同的结节(图与固氮能力S6),为植物的生长提供了一定的氮源。习等人证实,有12种根瘤菌的根源Indigofera amblyanthaCraib石漠化地区,贵州,中国占主导地位的属Bradyrhizobium(79年]。杨等人研究了采石场的eco-restoration荒地种植Indigofera amblyanthaCraib作为主要的物种。结果表明,Indigofera amblyanthaCraib是有利于土壤中微生物多样性与其他灌木物种(80年]。吴等人的研究结果表明,丛枝菌根(AM)真菌很容易感染的根源Indigofera amblyanthaCraib,感染率达到80.2%。丰富的血管球liquidambaris,Acaulospora aporocarpia,Acaulospora scrobiculata相对较高(81年]。我感染可以显著提高低磷土壤中磷的营养物质的吸收81年]。值得注意的是,形成AM-symbiotic结构注视和隔离重金属的能力降低了重金属从根到地面运输82年]。例如,减少锌的运输,Cd,铬,铜对植物的地上部分(83年,84年]。总的来说,根际土壤的微生物群落可能是一个重要的有利因素的适应性。

4.4。对重金属的宽容

唐等人了Indigofera amblyanthaCraib钨矿山生态修复。通过对土壤中重金属的分析,推断出,铜的吸收,锌,是相对重要的33]。殷等人发现,铜含量的土壤中使用Indigofera amblyanthaCraib eco-restoration废弃的采石场被发现是低于其他物种,并建议它有一个很好的富集铜的能力(85年]。他们的研究结果证实,Indigofera amblyanthaCraib有很好的能力的积累和运输从石矿山在这项研究中铜和锌。陈等人建议,报告结果Indigofera amblyanthaPb Craib有适度的宽容和生物体内积累能力和Cd [34,35]。然而,没有的优势Indigofera amblyanthaCraib累计,运输,和宽容Pb在这项研究中被发现。此外,没有研究相关重金属Indigofera amblyanthaCraib。虽然Indigofera amblyanthaCraib不符合标准的重金属超积累植物,它还可以用于土壤污染生态修复的Cd,铜、锌、锰或矿区由于其强大的浓缩和运输能力的Cd,铜、锌、锰及其巨大的生物量。

5。结论

在这项研究中,Indigofera amblyanthaCraib有很大的适应性基础上两年的随访调查eco-restoration工程揭露煤矿斜坡上的石头。我们研究植物生长和它们相关的因素影响植物的重要值(IV)用于eco-restoration。这些重要的因素包括pH值、营养元素(氮、磷、钾和TOC),重金属在衬底材料与恢复时间,并在根际土壤微生物群落的组成。优势种Indigofera amblyanthaCraib显示正相关与HN,美联社,V,和某人,和消极的TOC和Cd的冗余分析(RDA)。与此同时,Indigofera amblyanthaCraib更好的丰富和转移能力的Cd,铜、锌、锰和Pb的好宽容,某人,V,和Cr。此外,根的Indigofera amblyanthaCraib可能形成不同的结节,及其在根际土壤微生物群落的组成是不同于其他植物。Indigofera amblyanthaCraib也有利于土壤中微生物多样性与其他灌木物种。除了其耐旱和barren-tolerant特征,这些因素都有助于解释的适应性Indigofera amblyanthaCraib eco-restoration的石煤矿。总的来说,这项研究的结果可以解释的适用性Indigofera amblyanthaCraib eco-restoration工程矿业领域。

数据可用性

所有生成的数据或分析在本研究中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

资金从湖南省的科技创新项目(2020 rc2053),湖南省关键研发(2018 wk4007),国家重点实验室开放基金的水力学与山区河流工程(SKHL2009)和湖南农业大学的双一流的建设项目(SYL201802005)。

补充材料

补充材料提供了生态工程的详细描述,收集和制备样品,分析和计算的数据。和补充材料表和数据有助于解释手稿的内容。(补充材料)