根際微生物區(qū)系與蕹菜莖葉鎘含量的關(guān)系

劉維明，白海強(qiáng)，呂保玉

(廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，南寧 530028)

近年來，城市周圍菜田的重金屬鎘(Cd)污染日益嚴(yán)重，其在土壤中的活性較強(qiáng)，生物有效性高，易于被植物吸收進(jìn)入食物鏈危害人體健康［1－2］。有研究發(fā)現(xiàn)，人體攝入的Cd的83%來源于蔬菜［3］。Wang 等［4］報(bào)道蕹菜吸收積累 Cd 的能力較強(qiáng)，因此其對(duì)人類的潛在Cd污染風(fēng)險(xiǎn)比較大。Wang研究了30種不同蕹菜品種積累Cd的差異，在Cd含量為0.593～1.824 mg/kg不同濃度的土壤中，篩選到了強(qiáng)坤柳葉白骨其地上可食部分的Cd含量?jī)H是臺(tái)灣308純白柳葉可食部分Cd含量的1/2～1/3。Feng等［5］的研究表明，土壤微生物數(shù)量直接影響土壤的生物化學(xué)活性，土壤微生物的活動(dòng)能減低金屬的植物可利用性，減少植物體內(nèi)的金屬含量。本文通過根箱試驗(yàn)，研究了2種蕹菜Cd積累典型品種的根際微生物區(qū)系，探討根際微生物區(qū)系與Cd吸收積累的關(guān)系，為篩選、培育和利用重金屬低量積累農(nóng)作物品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試蕹菜品種與土壤

供試的2個(gè)蕹菜品種為強(qiáng)坤柳葉白骨(QK，Cd-PSC)和臺(tái)灣 308純白柳葉(T-308，non-Cd-PSC)。

供試土壤分別采用廣東省鶴山市沙坪鎮(zhèn)青菜地中東西橫基村的污灌農(nóng)業(yè)土壤(高鎘土壤)和農(nóng)科所娃娃菜地的非污灌農(nóng)業(yè)土壤(低鎘土壤)。土壤基本理化性質(zhì)如下:高鎘土壤pH值為7.08，有機(jī)質(zhì)含量為2.31%，全 N為1.61 mg/kg，速效P為476.44 mg/kg，速K為98.54 mg/kg，全 Cd為0.726 mg/kg;低鎘土壤pH 值為6.77，有機(jī)質(zhì)含量為3.49%，全 N為1.58 g/kg，速效P為195.92 mg/kg，速效K為192.30 mg/kg，全 Cd為0.173 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012年3月22日至5月22日在南寧市蔬菜研究所的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。將供試的2種土壤分別裝入長(zhǎng)20 cm、寬15 cm、高15 cm的自制根箱中，每箱4.5 kg土。設(shè)置品種和土壤2個(gè)因素為試驗(yàn)處理，種植2茬，每個(gè)處理重復(fù)3次，共24個(gè)根箱。

1.3 取樣方法

在種植后第40 d，取第1茬樣品的莖葉和根，并收集根際土和非根際土，立即密封保存于4℃冰箱中。第100 d后第2次取樣，方法同前。

土樣采集時(shí)，取中央室緊貼尼龍網(wǎng)1 mm范圍內(nèi)的土壤作根際土，兩邊非根際室的土壤混合作非根際土。土壤取出后立即裝入無菌紙袋，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。將新鮮土樣研磨過1 mm篩，置于土樣瓶中，在0～4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 植物重金屬含量測(cè)定

稱取烘干、粉碎的樣品 0.2 g，用微波消解儀(MDS-2002A，上海新儀)進(jìn)行消解，樣品加入5 mL HNO3(65%，V/V，優(yōu)級(jí)純)和2 mL H2O2(30%，V/V，分析純)［6］。用原子吸收光譜儀(AAS，Hitachi Z-5300，Japan)測(cè)定Cd的含量。測(cè)樣過程中采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)(植物GBW-07603)進(jìn)行質(zhì)量控制分析，參比物質(zhì)Cd的標(biāo)準(zhǔn)含量為0.057 mg/kg，測(cè)定值為0.059 mg/kg，表明樣品處理方法和儀器精度能夠滿足本研究的要求。

1.4.2 土壤微生物數(shù)量的測(cè)定

細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨(pH值為7.0～7.2)［7］;放線菌培養(yǎng)基為高氏合成一號(hào)瓊脂培養(yǎng)基(pH 值為7.2 ～7.4)［8］;真菌培養(yǎng)基為馬丁孟加拉紅鏈霉素瓊脂培養(yǎng)基(pH值為7.0)［9］。采用稀釋平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行土壤微生物的分離。細(xì)菌、真菌、放線菌的稀釋濃度分別設(shè)為－6，－5，－4;－5，－4，－3和－5，－4，－3這3組。細(xì)菌平板在30～32℃恒溫箱中保濕培養(yǎng)，真菌、放線菌平板在26～28℃恒溫箱中保濕培養(yǎng)。每個(gè)處理步驟重復(fù)3次。細(xì)菌培養(yǎng)2 d后開始統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)，真菌和放線菌培養(yǎng)4～5 d后開始統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕹菜Cd積累典型品種莖葉鎘含量的差異

蕹菜Cd積累典型品種間莖葉Cd含量存在極顯著差異(P＜0.01)，見表1。由表1可知:強(qiáng)坤柳葉白骨的莖葉含量遠(yuǎn)小于臺(tái)灣308純白柳葉。高低鎘土壤上臺(tái)灣308純白柳葉第1茬莖葉Cd含量分別是強(qiáng)坤柳葉白骨的1.87倍和1.6倍;第2茬分別是1.52倍和1.67倍。說明蕹菜典型品種對(duì)Cd的吸收積累存在穩(wěn)定的品種間差異，不隨土壤中鎘濃度及其理化性質(zhì)的不同或種植時(shí)間的延長(zhǎng)而變化。

試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)了不同品種對(duì)Cd的吸收特性，說明Cd吸收能力是穩(wěn)定的，屬于受遺傳控制的品種種性。

表1 蕹菜Cd積累典型品種莖葉鎘Cd含量 mg/kg

2.2 根系微生物總數(shù)變化與蕹菜Cd積累典型品種莖葉鎘含量的關(guān)系

由圖1可見，在Cd污染土壤中，微生物總數(shù)與低積累品種QK莖葉Cd含量變化趨勢(shì)相反，經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，兩者顯著水平達(dá)到p=0.096，說明隨著品種QK根系微生物總數(shù)的下降，其莖葉Cd含量顯著上升。微生物總數(shù)與高積累品種T-308莖葉Cd含量變化趨勢(shì)相同，經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)到p=0.067的顯著水平，說明隨著品種T-308根系微生物總數(shù)的減少，莖葉Cd含量顯著降低。由此可見，在污染土壤中，根系微生物總數(shù)對(duì)2個(gè)典型品種莖葉Cd含量有較顯著的影響，對(duì)低積累品種QK起抑制作用，對(duì)高積累品種T-308起促進(jìn)作用。富集系數(shù)或直線斜率均表明根系微生物對(duì)低積累品種QK的影響大于對(duì)高積累品種T-308的影響。

在對(duì)照土壤上，兩個(gè)典型品種根系微生物總數(shù)與莖葉Cd含量變化趨勢(shì)相反，經(jīng)檢驗(yàn)，對(duì)低積累品種QK的抑制作用達(dá)到極顯著(P＜0.01)水平，對(duì)高積累品種T-308的影響達(dá)到顯著(P＜0.05)水平。

無論在污染土壤中還是在對(duì)照土壤中，根系微生物對(duì)低積累品種QK莖葉Cd積累的作用均大于對(duì)高積累品種T-308Cd積累的作用。

2.3 3類微生物數(shù)量變化與蕹菜Cd積累典型品種莖葉鎘含量的關(guān)系

由圖2可見，在Cd污染土壤上，對(duì)低積累品種QK來說，從第1茬到第2茬細(xì)菌、真菌數(shù)量的變化與其莖葉Cd含量變化趨勢(shì)相反，而放線菌數(shù)量與其莖葉Cd含量變化趨勢(shì)相同，即當(dāng)細(xì)菌下降31.22%、真菌下降6.03%、放線菌上升了15.77%時(shí)，莖葉鎘含量上升了11%，說明隨著品種QK根系細(xì)菌、真菌數(shù)量的下降及放線菌數(shù)量的上升，莖葉Cd含量顯著上升，且3類微生物對(duì)莖葉鎘含量的影響大小順序?yàn)?真菌＞放線菌＞細(xì)菌。也有研究表明真菌通過改變重金屬在植物體的分配改變重金屬在植物體的富集，提高植物對(duì)重金屬的耐性，將重金屬固定在根部［10］，促進(jìn)重金屬從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)［11］。

圖1 根系微生物數(shù)量變化與蕹菜莖葉鎘含量的關(guān)系

對(duì)于高積累品種T-308來說，細(xì)菌、放線菌數(shù)量的變化與其莖葉Cd含量變化趨勢(shì)相同，真菌與其莖葉鎘含量變化趨勢(shì)相反，即當(dāng)細(xì)菌下降26.56%，真菌上升53.11%，放線菌下降38.35%時(shí)，莖葉鎘含量下降了9.9%，說明隨著品種T-308根系細(xì)菌和放線菌數(shù)量的減少，真菌數(shù)量的增加，莖葉Cd含量顯著降低，且3類微生物對(duì)莖葉鎘含量的影響大小順序?yàn)?細(xì)菌＞放線菌＞真菌。也有研究表明根際細(xì)菌的存在能夠促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收。細(xì)菌可產(chǎn)生一些化合物例如螯合物或絡(luò)合物，促進(jìn)根際土壤重金屬的溶解。根際細(xì)菌刺激植物的離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，提高植物對(duì)重金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)［12］，且對(duì)低積累品種影響大于對(duì)高積累品種的影響。

在對(duì)照土壤上，對(duì)低積累品種來說，隨著細(xì)菌和真菌數(shù)量的減少及放線菌數(shù)量的增加，莖葉鎘含量相應(yīng)升高。而對(duì)于高積累品種來說，隨著細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的減少，莖葉鎘含量相應(yīng)升高，且對(duì)低積累品種的影響大于對(duì)高積累品種的影響。

圖2 根系3類微生物數(shù)量變化與蕹菜Cd積累典型品種的關(guān)系

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)蕹菜品種的Cd積累特性具有遺傳穩(wěn)定性。若從微生物總數(shù)來講，在Cd污染土壤上，根系微生物對(duì)兩個(gè)典型品種莖葉Cd含量影響具有較顯著的差異，對(duì)低積累品種QK起抑制作用，而對(duì)高積累品種T-308起促進(jìn)作用。若從微生物種類來講，隨著品種QK根系細(xì)菌、真菌數(shù)量的下降及放線菌數(shù)量的上升，莖葉Cd含量顯著上升，且3類微生物對(duì)莖葉鎘含量的影響大小順序?yàn)?真菌＞放線菌＞細(xì)菌;隨著品種T-308根系細(xì)菌和放線菌數(shù)量的減少，真菌數(shù)量的增加，莖葉Cd含量顯著降低，且3類微生物對(duì)莖葉鎘含量的影響大小順序?yàn)?細(xì)菌＞放線菌＞真菌，且對(duì)低積累品種影響大于對(duì)高積累品種的影響。而在對(duì)照土壤上，根系微生物對(duì)2個(gè)品種的莖葉Cd含量均起抑制作用，影響大小順序和污染土壤上相同，且對(duì)低積累品種的影響作用仍大于高積累品種的作用。這一研究結(jié)果為今后通過調(diào)整改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能，從而達(dá)到降低農(nóng)作物可食部分Cd含量的目的提供技術(shù)支持和參考價(jià)值。

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