李鮮鮮 何文輝 董占營(yíng) 崔麗香 蔡清潔 張奧
摘要:微生物在海洋生態(tài)系統(tǒng)中具有多種功能。蘆潮港、洋山港、外高橋港作為上海近海岸的三大主要港口,有必要對(duì)其微生物的豐度及水環(huán)境進(jìn)行研究。水文特征和化學(xué)特征分布表明,溫度、鹽度、溶解氧和營(yíng)養(yǎng)鹽等在表層水體中的分布大體呈現(xiàn)一定的季節(jié)性。相關(guān)性分析表明,微生物數(shù)量與表層水體溫度呈正相關(guān)關(guān)系,但不顯著(P>0.05);與鹽度呈顯著正相關(guān)關(guān)系;與溶解氧量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。營(yíng)養(yǎng)鹽與微生物豐度的相關(guān)性較為復(fù)雜,但不顯著(P>0.05)。
關(guān)鍵詞:蘆潮港;洋山港;外高橋港;細(xì)菌豐度;真菌豐度;放線菌豐度;相關(guān)性分析
中圖分類號(hào): Q917.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2014)01-0286-06
收稿日期:2013-04-25
基金項(xiàng)目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)社會(huì)發(fā)展基金(編號(hào):09DZ120010C)。
作者簡(jiǎn)介:李鮮鮮(1989—),女,河南安陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向?yàn)榇笮秃T鍖?duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)。E-mail:xianxianli333@163.com。
通信作者:何文輝,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事水體的生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:whhe@shou.edu.cn。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),人類活動(dòng)的加強(qiáng)改變了近海岸生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能,大量的工業(yè)廢水和生活污水流入海流,包括海水養(yǎng)殖帶來(lái)的污染,使得近海岸水域中營(yíng)養(yǎng)鹽量急劇升高,部分海域頻頻發(fā)生赤潮等生態(tài)危害,嚴(yán)重破壞了海洋的生態(tài)平衡,威脅人類身體健康。近年來(lái),我國(guó)研究者對(duì)近海岸海域生態(tài)環(huán)境的研究相當(dāng)廣泛[1-4]。張培玉以渤海灣近海岸海域和潮間帶為研究區(qū)域,對(duì)海域底棲動(dòng)物生態(tài)學(xué)與環(huán)境質(zhì)量作了評(píng)價(jià)研究[5];朱廣超以連云港近岸海洋沉積物為研究對(duì)象,研究了不同采樣點(diǎn)的污染物類型和污染程度,并對(duì)不同污染毒的沉積物進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的研究[6]。海洋浮游細(xì)菌的生物量、生產(chǎn)力及其生長(zhǎng)、分布的環(huán)境調(diào)控因子是海洋生物學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn),從海洋微生物中可以分離得到大量具有抗菌活性的藥用化合物[7],且微生物學(xué)參數(shù)的變化能夠早期感應(yīng)和預(yù)報(bào)海洋污染情況,是海洋污染檢測(cè)的最好選擇對(duì)象[8],因此有必要對(duì)海洋微生物資源展開大量的研究工作。本試驗(yàn)對(duì)上海近海岸海域不同港口的海洋微生物數(shù)量和生態(tài)分布進(jìn)行了研究,并分析了它們與環(huán)境因子的相關(guān)度,以期為近海海域生態(tài)結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1樣品采集
樣品采自春(2012年4—5月)、夏(2012年7—8月)、秋(2012年10—11月)、冬(2012年12月至2013年1月)4個(gè)季節(jié),采樣站位如圖1所示。水樣采集使用有機(jī)玻璃采水器。水樣采自5 m深的海水。
1.2水樣微生物計(jì)數(shù)
每個(gè)采樣點(diǎn)取50 mL水樣(微生物計(jì)數(shù)用水樣)置于預(yù)先滅菌的采樣瓶中,取500 mL水樣(測(cè)量環(huán)境參數(shù)用水樣)置于預(yù)先用硫酸洗過(guò)的采樣瓶中。
1.2.1平板計(jì)數(shù)法適用于水深小于200 m海區(qū)的微生物活菌數(shù)計(jì)數(shù)。按10 ml/L的量加滅菌的Tween 80工作溶液。
(1)稀釋。用高壓滅菌海水制成梯度稀釋液(10-1、10-2、…、10-6)。(2)接種。根據(jù)不同計(jì)數(shù)對(duì)象,取適當(dāng)稀釋梯度(10-3、10-4)樣品0.1 mL(以平板上出現(xiàn)30~300個(gè)菌落為宜),接種于相應(yīng)的平板培養(yǎng)基上,并涂布均勻,每個(gè)稀釋度重復(fù)3個(gè)平板。(3)培養(yǎng)。將平板倒置于接近現(xiàn)場(chǎng)溫度的恒溫箱,培養(yǎng)4~15 d。(4)計(jì)數(shù)。在放大鏡下,按菌落形態(tài),分別計(jì)算各種培養(yǎng)基中四大菌類的菌落數(shù)(必要時(shí),用顯微鏡觀察確證)。(5)計(jì)算樣品含菌數(shù)。
N=Na×D1(1-0.01)×V
式中:N為樣品含菌落數(shù),單位為CFU/L;Na為3個(gè)平板平均菌落數(shù),單位為CFU;D為樣品稀釋倍數(shù);V為接種量,單位為L(zhǎng)。
1.2.2培養(yǎng)計(jì)數(shù)用的培養(yǎng)基細(xì)菌培養(yǎng)基:自制2216 E培養(yǎng)基;放線菌培養(yǎng)基:高氏1號(hào)合成培養(yǎng)基;真菌培養(yǎng)基:自制PDA慶大霉素培養(yǎng)基。
1.2.3人工海水人工海水成分[9]為22.0 g NaCl、9.7 g MgCl2·6H2O、3.7 g Na2SO4(無(wú)水)、1.0 g CaCl2(無(wú)水)、0.65 g KCl、0.20 g NaHCO3、0.230 g H3BO3。
制備方法:將各成分溶解,用蒸餾水定容至1 000 mL,海水的鹽度基本為3.3%。
1.3環(huán)境參數(shù)測(cè)定
溫度、鹽度、溶解氧數(shù)據(jù)采用JPBJ-608便攜式溶氧測(cè)定儀測(cè)定。營(yíng)養(yǎng)鹽、pH值、硬度、總氮、總磷等水化學(xué)參數(shù)根據(jù)GB/T 12763.2—2007《海洋調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行分析。
2結(jié)果與分析
2.1上海近海岸海域的基本環(huán)境特征
2.1.1水文特征
2.1.1.1表層水溫的季節(jié)變化和分布特征本研究三大港口近海岸表層水域溫度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,夏季的表層水溫最高,其次是秋季,再次是春季,冬季水溫最低(圖2-A)。
蘆潮港和洋山港各個(gè)季節(jié)的平均水溫相差不大,春季平均表層水溫變化范圍為11~14 ℃,夏季變化范圍為23~26 ℃,秋季變化范圍為18~22℃,冬季變化范圍為為4~
8 ℃。外高橋港是長(zhǎng)江入??谂c東海的交匯處,與蘆潮港和洋山港表層水溫有明顯差異,春季平均表層水溫為20.3 ℃,夏季為31.8 ℃,秋季為23.4 ℃,冬季為15.3 ℃,明顯高于另外兩大港口(表1)。表1蘆潮港、洋山港、外高橋港的水文特征、化學(xué)特征變化
港口1季節(jié)1溫度
2.1.1.2鹽度的季節(jié)變化和分布特征本研究港口水域冬季和春季的表層鹽度較高,夏季和秋季的較低(圖2-B)。外高橋港作為長(zhǎng)江入??诤蜄|海的交匯處,鹽度明顯低于另外兩大港口。蘆潮港海拔4.56 m,洋山港海拔4.15 m,相對(duì)于蘆潮港,洋山港在近海岸屬于比較深的海港區(qū),其平均鹽度要高于蘆潮港。endprint
2.1.1.3溶解氧濃度的季節(jié)變化和分布特征本研究海域溶解氧濃度具有明顯的季節(jié)變化,三大港口表層的溶解氧濃度變化趨勢(shì)一致,均為冬季﹥春季﹥秋季﹥夏季,其中夏季溶解氧濃度有明顯的下降趨勢(shì)(圖2-C)。蘆潮港春、夏、秋、冬四季平均溶解氧濃度分別為8.14、5.98、6.35、9.00 mg/L,洋山港四季平均溶解氧濃度分別為12.73、10.47、11.24、13.40 mg/L,外高橋港四季平均溶解氧濃度分別為5.73、3.98、4.86、6.15 mg/L(表1)。洋山港的溶解氧濃度明顯高于蘆潮港;外高橋港的溶解氧濃度明顯低于洋山港和蘆潮港,可能與其河口水流量大有關(guān)。
2.1.1.4pH值的季節(jié)變化本研究海域的酸堿度也存在明顯的季節(jié)變化,夏季pH值明顯最高(圖2-D)。外高橋港的表層水體pH值變化較大,變化范圍在7.69~8.67(表1),未受污染的海水pH值在8.0~8.3,考察外高橋港周邊環(huán)境,分析可能有大量工業(yè)廢水進(jìn)入該海域。
2.1.2化學(xué)特征
2.1.2.1總氮含量的季節(jié)變化和分布特征表層水體總氮量的季節(jié)變化一致,均為夏季最高,春季其次,冬季再次,秋季最低(表1),高值區(qū)出現(xiàn)在外高橋港(圖3-A),即為長(zhǎng)江口岸交匯處。蘆潮港和洋山港的總氮含量相差不大,前者要高于后者。
2.1.2.2亞硝酸鹽含量的季節(jié)變化和分布特征亞硝酸鹽量作為水質(zhì)測(cè)定的其中一個(gè)重要指標(biāo),決定著水體中生物的生長(zhǎng)和健康狀況。本研究三大港口亞硝酸鹽含量的季節(jié)變化呈現(xiàn)相同的趨勢(shì):冬季>春季>秋季>夏季,外高橋港的亞硝酸鹽含量明顯高于另外2個(gè)港口(圖3-B)。
2.1.2.3總磷含量的季節(jié)變化和分布特征本研究表層水體總磷含量季節(jié)變化一致,冬季最高,秋季其次,夏季再次,春季最低(表1)。外高橋港總體要比蘆潮港和洋山港高(圖3-C)??偭缀考竟?jié)變化總體范圍較小,蘆潮港在3218~4.331 μmol/L,洋山港在2.001~3.264 μmol/L,外高橋港8.005~10.917 μmol/L。
2.1.2.4總有機(jī)碳含量的季節(jié)變化和分布特征洋山港表層水體的總有機(jī)碳含量明顯高于另外2個(gè)港口,3個(gè)港口總有機(jī)碳含量的季節(jié)變化也呈現(xiàn)一致的趨勢(shì):秋季>夏季>冬季>春季(圖2-D)。
2.2水體微生物數(shù)量的分布
2.2.1細(xì)菌的季節(jié)變化和水平分布上海近海岸三大港口表層水體細(xì)菌豐度的季節(jié)變化特征均為夏季>春季>秋季>冬季(表2),春季和秋季的細(xì)菌平均豐度接近,分別為 11.5×108~19.5×108、9×108~18×108 CFU/L,冬季表層水體的細(xì)菌豐度明顯降低,僅為其他季節(jié)的1/4~1/3。三大港口表層水體細(xì)菌含量在整個(gè)微生物群體中的比例并沒有隨季節(jié)的變化發(fā)生改變,蘆潮港表層水體細(xì)菌所占比例為79%~84%(圖4),洋山港表層水體細(xì)菌所占比例為75%~84%(圖5),外高橋港水體細(xì)菌所占比例為87%~90%(圖6)。細(xì)菌為三大港口表層水體中重要的微生物群落。
2.2.2放線菌的季節(jié)變化和水平分布三大港口表層水體放線菌豐度的季節(jié)變化特征均為夏季>秋季>春季>冬季(表2),春季和秋季的放線菌平均豐度接近,分別為6×107~7×107、6×107~7.5×107 CFU/L,冬季表層水體的放線菌豐度明顯降低,僅為其他季節(jié)的1/3~1/2。表層水體放線菌含量在整個(gè)微生物群體中的比例并沒有隨季節(jié)的變化發(fā)生改變,蘆潮港表層水體放線菌所占比例為5%~6%(圖4),洋山港表層水體放線菌所占比例為4%~7%(圖5),外高橋港表層水體放線菌所占比例為3%~4%(圖6)。放線菌為三大港口表層水體中所占比例最小的微生物群落。
2.2.3真菌的季節(jié)變化和水平分布三大港口表層水體真菌豐度的季節(jié)變化特征均為夏季>春季>秋季>冬季(表2),春季和秋季的真菌平均豐度接近,分別為10.5×107~17.5×107、14×107~16.5×107 CFU/L, 冬季表層水體的真
菌豐度明顯降低,約為其他季節(jié)的1/2。表層水體真菌含量在整個(gè)微生物群體中的比例并沒有隨季節(jié)的變化發(fā)生改變,蘆潮港表層水體真菌所占比例為10%~16%(圖4),洋山港表層水體真菌所占比例為10%~19%(圖5), 外高橋港表層水體真菌所占范圍為7%~9%(圖6)。真菌是三大港口表層水體中處于中間地位的微生物群落。
3討論
3.1上海近海岸水域微生物的時(shí)空變化以及與其他海洋環(huán)境的比較
海岸帶是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū),自20世紀(jì)80年代以來(lái),我國(guó)學(xué)者在東海、渤海等主要臨海岸線開展了大量的研究工作。本研究結(jié)果表明,在微生物群體中,細(xì)菌豐度處于較高的水平,特別是外高橋港表層水體,處于長(zhǎng)江入海口和外海海流的交匯區(qū),營(yíng)養(yǎng)豐富。有研究表明,長(zhǎng)江沖淡水控制的海域細(xì)菌豐度明顯高于陸架區(qū)[10]。
與其他近海海域細(xì)菌豐度相比,本研究細(xì)菌豐度以外高橋港口較高,與山東半島等近海岸海域比較相似(表3),可能是它們都處于污染較嚴(yán)重的海域。在全球范圍內(nèi),河口和近海岸等環(huán)境的微生物數(shù)量都要高于遠(yuǎn)海和極地等開放性海洋[11],這也說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)條件是影響微生物數(shù)量和生長(zhǎng)的重要因素。
3.2環(huán)境因子對(duì)三大港口表層水體微生物分布的影響
微生物在海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演很重要的角色,作為分解者能夠分解有機(jī)物釋放能量,作為生產(chǎn)者能夠利用浮游植物所不能利用的可溶性有機(jī)物,將之轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)物,進(jìn)行二次生成[12],因此微生物在海洋生物生成和生源要素循環(huán)中起著不可替代的作用。本研究對(duì)微生物數(shù)量與環(huán)境因子作了相關(guān)性分析。
3.2.1溫度溫度是影響海洋微生物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子,微生物活動(dòng)能力取決于酶活性,一定溫度范圍內(nèi)酶活性與溫度成正比,海水溫度與海洋微生物的數(shù)量和生產(chǎn)力呈正相關(guān)關(guān)系[13]。本研究所探討的海水中微生物的含量與溫度具有一定的相關(guān)性,蘆潮港和洋山港不顯著,外高橋港表層海水微生物數(shù)量與溫度具顯著相關(guān)性(圖7)。李云等認(rèn)為長(zhǎng)江口鄰近海域細(xì)菌垂直分布與溫度具有顯著的相關(guān)性[14]。白潔等發(fā)現(xiàn)在黃海西北部細(xì)菌數(shù)量與溫度之間并沒有明顯的相關(guān)關(guān)系,他們認(rèn)為原生動(dòng)物對(duì)細(xì)菌的捕食及病毒活動(dòng)有可能是削弱其相關(guān)性的重要原因之一[13]。endprint
3.2.2鹽度相關(guān)性分析結(jié)果表明,海水中微生物數(shù)量與鹽度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8),在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下,鹽度可能是影響微生物分布的主要因素。在河口與海流交匯處,由于鹽度發(fā)生巨大的變化,可能會(huì)導(dǎo)致水體整個(gè)微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的改變[15]。
3.2.3溶解氧相關(guān)性分析結(jié)果表明,溶解氧濃度與微生物數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性不顯著(圖9)。表層水體相對(duì)底層屬于高氧區(qū),而河口與海流交匯處由于污染嚴(yán)重,其溶氧處于劣勢(shì)。低氧對(duì)海洋微生物、浮游動(dòng)物等具有很大危害,生物缺氧導(dǎo)致大量死亡,引起生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)途徑的改變[16]。本研究說(shuō)明低氧對(duì)微生物的生長(zhǎng)有很強(qiáng)的抑制作用。
3.2.4營(yíng)養(yǎng)鹽在海洋生態(tài)系統(tǒng)中,海洋微生物可以利用氮源、碳源和磷源進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖,它們?cè)跔I(yíng)養(yǎng)鹽的循環(huán)中起著非常重要的作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明,三大港口的總磷(TP)含量與微生物數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,總氮(TN)和總有機(jī)碳(TOC)含量與微生物數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系(圖10)。有研究表明,磷酸鹽是異樣浮游細(xì)菌生物量和生產(chǎn)的重要限制因子[17];周偉華等研究發(fā)現(xiàn)在三亞灣冬季水體溶解無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽與細(xì)菌生
物量有顯著正相關(guān)關(guān)系[18];外國(guó)學(xué)者在海洋異樣浮游細(xì)菌培養(yǎng)室試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),DIN作為主要的氮源,提供55%~99%的總氮吸收,極大地促進(jìn)了細(xì)菌的生長(zhǎng)和新陳代謝[19]。由于人為因素,N、P在近海岸區(qū)呈現(xiàn)高富集狀態(tài),現(xiàn)階段N、P在海洋中影響生物生存和發(fā)展的問(wèn)題已成為研究的熱門。
4小結(jié)
本試驗(yàn)采樣的地點(diǎn)選自30°51′N、12150′E,30°52′N、121°52′E,31°21′N、121°35′E。采集地點(diǎn)均位于潮間帶以內(nèi),靠近海岸線。由于采集地點(diǎn)靠近陸地,試驗(yàn)結(jié)果所測(cè)得的微生物有一部分肯定來(lái)自陸地;另外對(duì)海水的化學(xué)分析數(shù)據(jù)偏差,有部分也是人為因素造成的。近年來(lái),以細(xì)菌檢測(cè)海洋環(huán)境質(zhì)量的研究已成為熱點(diǎn)[20-24]。海岸帶生境退化的主要特征就是水質(zhì)和沉積物質(zhì)量的下降。隨著水質(zhì)指標(biāo)BOD、COD、銨態(tài)氮、透明度等化學(xué)因子的變化,水體中的微生物種類、數(shù)量及種群結(jié)構(gòu)等也會(huì)呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。有些細(xì)菌的指標(biāo)變化能夠直接反映出海水質(zhì)量的變化,從而對(duì)環(huán)境變化起到指示作用[25]。
本試驗(yàn)中微生物生物量與環(huán)境因子的相關(guān)分析結(jié)果表明,溫度與微生物生物量的相關(guān)性不是很大,但是呈現(xiàn)一定的正相關(guān),可能是因?yàn)闇囟葘?duì)酶活性有影響;微生物生物量與鹽度的相關(guān)性很高,主要是由海岸帶與河口交匯處鹽度層次的劇烈變化引起;微生物生物量與溶解氧濃度呈負(fù)相關(guān),因?yàn)楸韺铀w生長(zhǎng)的主要是好氧和兼氧微生物;微生物生物量與營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性比較復(fù)雜,與以往的研究[17-19]相比較,不盡相同,可能與海域的地理環(huán)境和周邊生態(tài)環(huán)境有很大的關(guān)系。本試驗(yàn)還存在很多的缺點(diǎn):在水體層次結(jié)構(gòu)上沒有進(jìn)行研究(在后續(xù)的試驗(yàn)中作為主要方向);微生物的分離不夠全面,相對(duì)較宏觀;沒有進(jìn)行微生物純化和活性研究等。這在后續(xù)的研究中有待解決。
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[16]Riedel G F,Sanders J G,Breitburg D L. Seasonal variability in response of estuarine phytoplankton communities to stress:linkages between toxic trace elements and nutrient enrichment[J]. Estuaries,26(2):323-338.
[17]Cotner J B,Sada R H,Bootsma H,et al. Nutrient limitation of heterotrophic bacteria in Florida Bay[J]. Estuaries,2000,23(5):611-620.
[18]周偉華,王漢奎,董俊德,等. 三亞灣秋、冬季浮游植物和細(xì)菌的生物量分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(8):2633-2639.
[19]Tupas L M,Koike I,Karl D M,et al. Nitrogen metabolism by heterotrophic bacterial assemblages in Antarctic coastal waters[J]. Polar Biology,1994,14(3):195-204.
[20]黃邦欽,洪華生. 海洋微藻作為海洋生態(tài)環(huán)境的指示初探[J]. 海洋環(huán)境科學(xué),1998,17(3):24-28.
[21]白樹猛,田黎. 指示生物在海洋污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 海洋科學(xué),2010,34(1):80-83.
[22]姜勇. 膠州灣浮游纖毛蟲群落的時(shí)空分布特征及與環(huán)境間的關(guān)系[D]. 青島:中國(guó)海洋大學(xué),2012.
[23]Li C Q,Liu W C,Zhu P,et al. Phylogenetic diversity of bacteria associated with the marine sponge Gelliodes carnosa collected from the Hainan Island coastal waters of the South China Sea[J]. Microbial Ecology,2011,62(4):800-812.
[24]Wei B.Diversity and distribution of proteorhodopsin-containing microorganisms in marine environments[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering,2012,6(1):98-106
[25]肖慧. 渤海灣近岸海域的細(xì)菌學(xué)研究及其在海岸帶環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[D]. 青島:中國(guó)海洋大學(xué),2005.
[26]趙海軍,紀(jì)力強(qiáng). 大尺度生物多樣性評(píng)價(jià)[J]. 生物多樣性,2003,11(1):78-85.黃凱,張杏鋒,李丹. 改良劑修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(1):292-296.endprint
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[25]肖慧. 渤海灣近岸海域的細(xì)菌學(xué)研究及其在海岸帶環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[D]. 青島:中國(guó)海洋大學(xué),2005.
[26]趙海軍,紀(jì)力強(qiáng). 大尺度生物多樣性評(píng)價(jià)[J]. 生物多樣性,2003,11(1):78-85.黃凱,張杏鋒,李丹. 改良劑修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(1):292-296.endprint