光合細(xì)菌對(duì)土壤中Cd形態(tài)分布的影響

肖根林，白紅娟，賈萬利

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

環(huán)保與三廢利用

光合細(xì)菌對(duì)土壤中Cd形態(tài)分布的影響

肖根林，白紅娟，賈萬利

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

研究了光合細(xì)菌球形紅細(xì)菌（Rhodobacter sphaeroides）在不同理化因素下對(duì)土壤中重金屬鎘形態(tài)分布的影響。結(jié)果表明，該菌株影響土壤中Cd形態(tài)分布的最佳條件為：pH 7、溫度35℃ 及加菌量106個(gè)／g土。在最佳條件下，光合細(xì)菌能最大降低生物可利用性的Cd形態(tài)含量和最大提高生物不可利用性的Cd形態(tài)含量。因此，光合細(xì)菌能明顯改變土壤中重金屬Cd的各種形態(tài)的含量，提高農(nóng)作物的品質(zhì)，為光合細(xì)菌修復(fù)重金屬土壤污染的推廣應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

光合細(xì)菌；土壤；鎘；形態(tài)分布

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，重金屬對(duì)環(huán)境以及人類的污染也被逐漸重視起來。由于重金屬污染所導(dǎo)致的疾病，威脅到人類的健康，所以，重金屬成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)研究中的重點(diǎn)。重金屬不僅引起土壤環(huán)境污染，而且以各種化學(xué)狀態(tài)或化學(xué)形態(tài)存在，在進(jìn)入環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)后會(huì)存留、積累和遷移，直接或間接地危害人類和整個(gè)生態(tài)環(huán)境的健康，也就是說土壤重金屬污染影響整個(gè)人類生存環(huán)境的質(zhì)量［1］。

國內(nèi)外學(xué)者研究了土壤重金屬的遷移與轉(zhuǎn)化，并采用化學(xué)方法來降低土壤中重金屬形態(tài)和含量。邱莉萍等［2］的研究結(jié)果表明，化學(xué)修復(fù)劑EDTA 能夠與 Cd、Cu、Zn、Ni等許多重金屬發(fā)生絡(luò)合作用，從而減少重金屬在土壤溶液中的含量；EDTA對(duì)Zn污染和輕度Cu污染土壤有較好的改良作用，而對(duì)Cd污染和重度Cu污染的土壤改良效果差。王夢(mèng)亮等［3］研究了光合細(xì)菌能改善土壤的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)狀況，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。光合細(xì)菌是一種能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用有機(jī)物作供氧體兼碳源，進(jìn)行不放氧光合作用的細(xì)菌，具有提高植物光合作用，提高土壤肥力等特性。目前，對(duì)光合細(xì)菌影響土壤重金屬的形態(tài)及其在土壤中的分布的研究尚少見報(bào)道。因此，研究土壤環(huán)境中重金屬污染形態(tài)轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的提高以及保障農(nóng)產(chǎn)品安全等方面有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

菌種：光合細(xì)菌H菌株系紫色非硫菌群紅細(xì)菌屬的球形紅細(xì)菌 （Rhodobacter sphaeroides），由本院光合細(xì)菌研究室分離鑒定保藏［4］。

培養(yǎng)基：基礎(chǔ)培養(yǎng)基采用光合細(xì)菌液體培養(yǎng)基［4］。

1.2 土壤樣品的采集、樣品處理

土樣取自山西省太原市土堂村莊稼地，10～20 cm深，取回實(shí)驗(yàn)室后過篩，配制成土壤中含有不同濃度的溴化鎘、乙酸鉛，放置30 d進(jìn)行土壤平衡，備用。

1.3 試驗(yàn)方法與條件

在上述的土壤所設(shè)定的Cd2＋單一污染濃度分別為 10mg·kg-1，20mg·kg-1，40mg·kg-1，100mg·kg-1。在上述的設(shè)定濃度中，設(shè)置不同的培養(yǎng)條件，見表1。

表1 光合細(xì)菌修復(fù)土壤樣品實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)

按照表1的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)，并且每組設(shè)置不加菌為對(duì)照組。采用Tessier連續(xù)提取法加以改進(jìn)［5～6］分離出 5 種狀態(tài)（可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)）。

1.4 測(cè)定方法及數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)選取光合細(xì)菌為微生物材料，在不同溫度、pH值和菌濃度等條件下培養(yǎng)土樣，通過連續(xù)提取法分離土壤中不同形態(tài)Cd，采用火焰原子吸光分光光度計(jì)測(cè)定Cd2＋濃度，研究光合細(xì)菌對(duì)土壤中Cd形態(tài)分布的影響。土壤樣品用HNO3-HCl-HClO4消解，火焰原子吸收分光光度法測(cè)定消解液中Cd的濃度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin Pro 8.1進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH值土壤樣品中鎘各種形態(tài)的含量

在圖1中B表示可交換態(tài)加菌，C表示可交換態(tài)對(duì)照；D表示碳酸鹽結(jié)合態(tài)加菌，E表示碳酸鹽結(jié)合態(tài)對(duì)照；F表示鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)加菌，G表示鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)對(duì)照；H表示有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)加菌，I表示有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)對(duì)照；J表示殘?jiān)鼞B(tài)加菌，K表示殘?jiān)鼞B(tài)對(duì)照。由圖1可以看出，在pH為5，6，7和8時(shí)，重金屬Cd的可交換態(tài)，加入光合細(xì)菌的土樣比對(duì)照所測(cè)出的Cd的濃度低，分別降低了 2.21%，1.94%，4.59%和 4.09%。 因此，光合細(xì)菌能明顯降低土壤中的交換態(tài)Cd，并且，最佳降低Cd交換態(tài)的濃度的條件是pH值為7。重金屬Cd的碳酸鹽結(jié)合態(tài)，加入光合細(xì)菌的土樣所測(cè)出的Cd的濃度都小于對(duì)照，說明光合細(xì)菌能降低土壤樣品中碳酸鹽結(jié)合態(tài)的Cd。當(dāng)pH為 5，6，7 和 8 時(shí)， 分別降低了 1.64%，3.53%，3.00%和0.9%。尤其是能明顯降低pH 7土壤中的碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd。重金屬Cd的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，加光合細(xì)菌的土樣所測(cè)出的Cd的濃度都大于對(duì)照；當(dāng) pH為 5，6，7和8時(shí)，分別升高0.46%，1.31%，3.65%和 3.09%。 因此，光合細(xì)菌在pH為7時(shí)能明顯提高土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的Cd。重金屬Cd有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)，加菌與對(duì)照相比，分別升高了 0.22%，0.12%和 0.74%，而 pH 為7時(shí)降低了0.31%。因此，光合細(xì)菌能提高土壤中的有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)Cd。重金屬Pb的殘?jiān)鼞B(tài)，加光合細(xì)菌的土樣所測(cè)出的Cd的濃度都大于對(duì)照；當(dāng)pH 為 5，6，7 和 8 時(shí)，分別升高了 2.55%，3.76%，4.56%和1.39%。因此，光合細(xì)菌在pH為7時(shí)能最明顯升高土壤中殘?jiān)鼞B(tài)的Cd。

圖1 不同pH值對(duì)土壤中鎘各種形態(tài)分布的影響Fig.1 Effects on the distribution of soil cadmium at different pH

在不同的pH值的土壤環(huán)境中加菌后，重金屬生物可利用性明顯降低。當(dāng)pH值為7時(shí)，最能降低生物可利用性的鎘。

2.2 不同溫度時(shí)土壤樣品中鎘各種形態(tài)的含量

在圖2中B表示可交換態(tài)加菌，C表示可交換態(tài)對(duì)照；D表示碳酸鹽結(jié)合態(tài)加菌，E表示碳酸鹽結(jié)合態(tài)對(duì)照；F表示鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)加菌，G表示鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)對(duì)照；H表示有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)加菌，I表示有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)對(duì)照；J表示殘?jiān)鼞B(tài)加菌，K表示殘?jiān)鼞B(tài)對(duì)照。由圖2可以看出，在溫度不同時(shí)光合細(xì)菌對(duì)可交換態(tài)重金屬Cd的影響，當(dāng)溫度為20℃時(shí)加菌比對(duì)照降低3.12%，25℃時(shí)降低了 1.04%，30℃時(shí)降低 4.09%，35℃時(shí)降低了6.52%，加入光合細(xì)菌重金屬有變小的趨勢(shì)。所以，當(dāng)溫度為35℃為光合細(xì)菌降低交換態(tài)的Cd。對(duì)碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬Cd的影響，在溫度為20℃時(shí)加菌比對(duì)照降低了2.29%，25℃時(shí)降低了3.55%，30℃時(shí)降低 2.39%，35℃時(shí)降低了 1.05%，而此時(shí)，當(dāng)溫度為25℃時(shí)光合細(xì)菌對(duì)碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd的濃度影響最大。對(duì)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬Cd的影響，溫度為20℃時(shí)加菌比對(duì)照升高0.64%，當(dāng)溫度為 25℃時(shí)降低了 0.87%，當(dāng)溫度為30℃時(shí)升高 2.75%， 而 35℃時(shí)降低了 0.19%，因此，當(dāng)溫度為30℃時(shí)為光合細(xì)菌對(duì)鐵錳氧化物的Cd的最適合溫度。對(duì)有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)重金屬Cd的影響，20℃時(shí)加菌比對(duì)照升高了0.43%，25℃時(shí)升高了 0.38%，30℃時(shí)升高了 0.18%，35℃時(shí)升高了4.74%，當(dāng)溫度為35℃時(shí)為光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)的Cd的最適合溫度。對(duì)殘?jiān)鼞B(tài)重金屬Cd的影響，溫度為20℃時(shí)加菌比對(duì)照升高了4.74%，25℃時(shí)升高了 5.07%，30℃時(shí)升高了 3.83%，35℃時(shí)升高了2.68%。溫度25℃是光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)的Cd的最適合溫度。

圖2 不同溫度值對(duì)土壤中鎘各種形態(tài)分布的影響Fig.2 Effects on the distribution of soil cadmium at different temperature

在不同溫度的土壤環(huán)境中溫度在30～35℃之間加菌后的生物可利用性明顯降低，土壤環(huán)境中加菌后的土壤在30～35℃之間的重金屬遷移能力比不加菌的低。當(dāng)改變溫度時(shí)，溫度為35℃時(shí)最佳，最能降低生物可利用性的重金屬Cd，最能提高生物不可利用性的重金屬Cd。

2.3 不同加菌量土壤樣品中鎘各種形態(tài)的含量

在圖3中，B表示可交換態(tài)，C表示碳酸鹽結(jié)合態(tài)，D表示鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，E表示有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)，F(xiàn)表示殘?jiān)鼞B(tài)。由圖3可以清晰地看出隨著菌濃度的提高，光合細(xì)菌對(duì)重金屬的影響最大，也間接說明了光合細(xì)菌是有轉(zhuǎn)移重金屬的能力。

圖3 不同加菌量對(duì)土壤中鎘各種形態(tài)分布的影響Fig.3 Effects on the distribution of soil cadmium in different concentration of PSB

由圖3可以看出，在不同的菌濃度的土壤環(huán)境中，加菌的土樣的生物可利用性明顯降低（與對(duì)照組相比），濃度為106個(gè)／g土的時(shí)候生物可利用性最低。

從以上3個(gè)條件分析，總體趨勢(shì)是加了光合細(xì)菌的土樣比不加光合細(xì)菌的土樣所測(cè)出的可交換態(tài)的重金屬Cd和碳酸鹽結(jié)合態(tài)的重金屬Cd含量有所減少，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)，殘?jiān)鼞B(tài)，加菌相對(duì)對(duì)照有所增加。前邊減少的比例幾乎與后變?cè)黾拥谋壤嗤?。說明光合細(xì)菌影響了重金屬的遷移能力。光合細(xì)菌影響土壤中重金屬的最適的條件是，本實(shí)驗(yàn)是菌濃度為106個(gè)／g土，溫度35℃，pH為7時(shí)，在這個(gè)條件下光合細(xì)菌影響重金屬Cd最大。

4 結(jié)論

在不同pH值、溫度、菌濃度條件下，光合細(xì)菌都能不同程度影響土壤中重金屬鎘的5種形態(tài)分布。

（1）當(dāng) pH 為 5，6，7 和 8時(shí)，加入光合細(xì)菌后，能降低可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)的Cd，提高鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)的Cd，因此，Cd的生物可利用性明顯降低，分別降低了3.85%、5.46%、7.59%和 5.00%。

（2）當(dāng)溫度為 20℃，25℃，30℃和 35℃時(shí)，重金屬鎘在溫度為35℃時(shí)，光合細(xì)菌最能降低生物可利用性的重金屬Cd，最能提高生物不可利用性的重金屬Cd。

（3）當(dāng)菌濃度不同時(shí)，隨著菌種濃度越高影響重金屬形態(tài)分布越大，并在菌濃度106個(gè)／g土?xí)r，影響最大。

［1］ Wong SC，Li XD，Zhang G，et al.Heavy metal in agricultural soils of the Pearl River Delta ［J］.South China Environ Pollut， 2002， 119：33-44.

［2］ 邱莉萍，張興昌.Cu、Zn、Cd和 EDTA對(duì)土壤酶活性影響的研究 ［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006， 25（1）：30-33.

［3］ 李俊峰，王夢(mèng)亮.光合細(xì)菌對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響［J］.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2002， 30（1）： 52-56.

［4］ 姚竹云，張肇銘.幾株光合細(xì)菌的表型特征及DNADNA同源性分析［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，1996，2（1）： 84-89.

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Effects on Distribution of Soil Cadmium Using Photosynthetic Bacteria

XIAO Gen-Lin，BAI Hong-Juan，JIA Wan-Li
（College of Chemical＆ Environment Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The influences of the distribution of soil cadmium in different soil physical and chemical factors using the photosynthetic bacteria （Rhodobacter sphaeroides） were analyzed in this study.The results showed that the optimum conditions for influencing the distribution of soil cadmium were pH7.0， temperature at 35？ C and the amount bacteria of 106 ／g soil.Under the optimal conditions， photosynthetic bacteria could reduce the content of bioavailability of cadmium largely and increased the content of biological non-use of cadmium greatly.Therefore，photosynthetic bacteria could obviously change the content of various forms of soil cadmium，could improve the quality of crops.The result could provide the experimental basis for popularizing and applying the remediation technology of heavy metals polluted soils using the photosynthetic bacteria.

photosynthetic bacteria；soil； cadmium；distribution

X 53

A

1671-9905（2011）03-0043-03

肖根林，男，漢族，江西萍鄉(xiāng)市，中北大學(xué)在讀碩士，研究方向：資源化利用與清潔生產(chǎn)

2010-12-01