AM真菌輔助植物對河道沉積物重金屬的修復(fù)

李亞男,白 玫,李亞子,王國英,岳秀萍

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

AM真菌輔助植物對河道沉積物重金屬的修復(fù)

李亞男,白 玫,李亞子,王國英,岳秀萍

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

針對華北某市排污河道疏浚底泥外運(yùn)處置的重金屬污染問題,采用自然條件下的盆栽試驗(yàn),研究AM真菌輔助黑麥草對疏浚底泥中重金屬的修復(fù)。結(jié)果表明,種植黑麥草后,供試底泥中鋅、鉛、鎘的含量有效降低了。其中,鋅的減少量最多,但接種AM真菌對沉積物樣品中鋅的降解率提高較少,而對根際底泥中鉛和鎘含量的降低起了顯著促進(jìn)作用。黑麥草體內(nèi)對鋅的累積最多,但接種AM真菌對黑麥草體內(nèi)累積鋅總量的影響不太顯著,只是促進(jìn)了鋅在黑麥草體內(nèi)由地下向地上部分的運(yùn)移。接種AM真菌能顯著提高黑麥草對鉛和鎘的吸收和累積,尤其是能大大促進(jìn)黑麥草地上部分對這兩種重金屬的累積。接種AM真菌還增加了黑麥草根際土壤菌群的多樣性,并使黑麥草葉片結(jié)構(gòu)變得紋理清晰。

河道底泥;黑麥草;植物修復(fù);AM真菌;重金屬

排污河道長期接納污、廢水,其疏浚底泥的體積大、含水量高、且含有大量的重金屬、有機(jī)物等污染物。華北某市對其市內(nèi)排污河道疏浚底泥首先進(jìn)行了就近堆置處理,以蒸發(fā)底泥水分,減少底泥體積,從而減少運(yùn)輸費(fèi)用,然后將其外運(yùn)進(jìn)行進(jìn)一步處置。河道底泥的異位修復(fù)有物理、化學(xué)、植物、微生物等方法。其中,植物修復(fù)可利用植物對污染物的富集、吸附、分解作用來凈化污染底泥,具有操作簡便、修復(fù)成本低、對環(huán)境影響小等特點(diǎn)[1-2]。但是,植物修復(fù)中用于修復(fù)的植物生長緩慢且受季節(jié)限制性強(qiáng),修復(fù)效率不高,因此,目前的研究主要集中在采取各種輔助措施來提高植物修復(fù)的效率上。

研究證明,菌根真菌不僅自身具有耐重金屬毒害的能力,還可提高植物對金屬的耐性,利于植物的生長[3-5]。因此,本試驗(yàn)針對華北某市排污河道疏浚底泥外運(yùn)處置的重金屬污染問題,采用自然條件下的盆栽試驗(yàn),通過接種菌根真菌來研究黑麥草對排污河道疏浚底泥中重金屬的修復(fù)效果,以期為該市外運(yùn)的疏浚底泥的進(jìn)一步處置提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1) 供試底泥采自北方某市DG排污河道疏浚底泥,該排污河道常年接納市內(nèi)工業(yè)廢水和生活污水,重金屬污染較為嚴(yán)重。供試底泥的部分理化性質(zhì)為:pH=7.8;有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)31.2%;全氮0.46%;全磷0.35%;鎘質(zhì)量比13.5～14.2 mg/kg;鋅質(zhì)量比2 708～3 200 mg/kg;鉛的質(zhì)量比260～280 mg/kg。將底泥和無污染河沙置于陰涼、通風(fēng)處晾干,剔除粗雜質(zhì),過2 mm篩,按底泥∶河沙質(zhì)量比為1∶1配比混合均勻,滅菌,待用。

2) 供試植株選用多年生黑麥草。

3) 供試叢枝菌根AM真菌(Arbuscular mycorrhizae)菌種為Glomus mosseae,經(jīng)三葉草繁殖4個(gè)月后制成菌絲體、孢子、侵染根段的混合接種物。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 盆栽試驗(yàn)

將滅菌后的底泥、河沙混合物[6]裝入經(jīng)甲醛消毒的0.7 m×0.5 m×0.4 m的PVC 箱中,箱底設(shè)通氣孔。設(shè)定兩個(gè)處理組,處理組一為單純植物修復(fù)(僅含底泥污染物),處理組二為接種菌根真菌的菌根真菌輔助植物修復(fù)(含底泥污染物和AM真菌接種劑)。每個(gè)處理組設(shè)3個(gè)重復(fù)。將AM菌根接種物與底泥混合物混勻,用去離子水(質(zhì)量分?jǐn)?shù))調(diào)至30%～60%。

將黑麥草種子在雙氧水中浸泡10 min進(jìn)行表面消毒,種子播種行距為15 cm。待苗出齊后定苗,種植90 d后收獲,采集黑麥草根際附近沉積物、黑麥草葉片等樣品進(jìn)行種植前后沉積物Zn，Pb，Cd總量,種植后黑麥草地上、地下部分Zn，Pb，Cd總量,種植后黑麥草根際土壤微生物和黑麥草葉片組織形貌的分析。

1.2.2 分析方法

重金屬總量的測定:重金屬總量的預(yù)處理采用鹽酸-氫氟酸高-氯酸消煮法,測定采用火焰原子吸收分光光度計(jì)(AAS,WFX-110B,北京瑞利,北京)。

底泥根際環(huán)境及植物組織分析:采集底泥中黑麥草根際沉積物樣品和黑麥草葉片樣品,采用冷凍干燥儀對試驗(yàn)樣品進(jìn)行干燥,通過掃描電子顯微鏡(X-650,Hitachi,Japan)獲取種植前后底泥中黑麥草根際微生物及黑麥草葉片組織形貌圖片。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植前后底泥中重金屬含量的變化

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)Zn，Cd，Pb的土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別超過臨界值500，1.0，500 mg/kg時(shí),會(huì)影響到植物的正常生長[7]。而供試底泥中Zn含量超過臨界值5倍以上,Cd含量超過臨界值10倍以上,因此,Zn和Cd可能會(huì)影響植物對底泥中重金屬的累積和吸收。

圖1為種植前后,不同處理下黑麥草根際附近底泥中Zn，Cd，Pb的總量變化情況。圖中,“P”代表單純種植植物時(shí)的處理組一;“P+A”代表接種AM菌根的菌根真菌輔助植物修復(fù)的處理組二。

由圖1可知,兩種處理下,供試底泥中Zn，Pb，Cd總量均有所減少,其中,Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少最多,減少量約為1 280.4～1 502.1 mg/kg。但接種AM真菌對沉積物樣品中Zn的降解率提高較少,而對Pb和Cd的降解率提高較多。其中,Pb的降解率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從處理組一的14%提高到處理組二的25%,Cd的降解率從處理組一的12%提高到處理組二的25%?？梢?接種AM真菌對根際底泥中Pb,Cd含量的降低起了顯著促進(jìn)作用。接種AM真菌后,黑麥草可能會(huì)吸收和累積更多的Pb和Cd。

圖1 種植前后底泥中重金屬含量的變化

從植物生長狀況來看,處理組一中由于Zn和Cd對植物的毒害作用,黑麥草生長緩慢,地上部分植物量較少,而在接種AM真菌的處理下,黑麥草生長旺盛,地上部分植物量較多。另,接種AM真菌也不會(huì)對土壤造成二次污染。因此,該方法具有較好的應(yīng)用和實(shí)用前景。

2.2 黑麥草對底泥中重金屬的吸收

圖2為種植末期黑麥草不同部位對Zn,Pb,Cd的累積情況。可見,在兩種處理組下,黑麥草根和葉片對這三種重金屬都有一定的累積,且對不同重金屬的積累程度有所不同。

黑麥草對Zn的累積最多,兩個(gè)處理組黑麥草累積Zn的百分比較為接近。在處理組一中,黑麥草地下部分對Zn的累積量約為其地上部分累積量的2倍多,而在處理組二中,地上部分和地下部分對Zn的累積量非常接近,約為供試底泥Zn總量的23%。這說明,接種AM真菌雖然對植物體內(nèi)累積Zn總量的影響不太顯著,但AM真菌可能起了一定的解毒作用,促進(jìn)了Zn在植物體內(nèi)由地下向地上部分的運(yùn)移。

處理組二下黑麥草對Cd和Pb累積的百分比約為處理組一的2倍。其中,地上部分累積Cd和Pb含量差距較大,處理組二分別約是處理組一的5倍(Cd)和8倍(Pb)。處理組一和處理組二中,黑麥草地下部分累積Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為底泥Cd總量的8%和10%,黑麥草地下部分累積Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為底泥Pb總量的10%和8%,這表明,接種AM真菌能明顯幫助降低Cd對植物的毒害,使Cd在黑麥草體內(nèi)累積量大大增加,并使得Cd從黑麥草根部向葉片方向運(yùn)移。AM真菌也能促進(jìn)黑麥草對Pb的吸收和積累,而且在鉛向黑麥草地上部分運(yùn)移過程中,AM真菌發(fā)揮了較大的的輔助修復(fù)作用。這些均與2.1的結(jié)論相符。

圖2 黑麥草不同部位吸收重金屬情況

2.3 種植前后底泥中根際環(huán)境的變化

圖3為兩種處理下種植黑麥草前后底泥中根際環(huán)境的變化情況?？梢?單純種植黑麥草(處理組一)時(shí),黑麥草根際附近底泥中微生物以球菌為主,而接種AM真菌后,黑麥草根際附近底泥出現(xiàn)了非常明顯的AM菌絲特征,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了一些球菌和類似桿菌的微生物。這說明,AM真菌確實(shí)在處理組二中發(fā)揮了作用,并且接種AM真菌增加了黑麥草根際土壤菌群的多樣性。

2.4 種植前后植物組織的變化

圖4為兩種處理下種植前后黑麥草葉片組織的變化情況。可見,與處理組一相比,有AM真菌參與的植物修復(fù)方式下,黑麥草葉片結(jié)構(gòu)變得紋理清晰。這主要是因?yàn)?接種AM真菌促進(jìn)了重金屬從地下向地上部分的運(yùn)移,重金屬的毒性慢慢滲入黑麥草葉片中,表現(xiàn)出清晰的紋理特征。

圖3 種植黑麥草前后底泥中根際環(huán)境的變化情況(a為處理組一,b為處理組二)

圖4 接種AM真菌后黑麥草葉片組織的變化情況(a為處理組一,b為處理組二)

3 結(jié)論

1) 處理組一和處理組二均使供試底泥中Zn,Pb,Cd含量有效降低,其中,Zn的減少量最多,但接種AM真菌對沉積物樣品中Zn的降解率提高較少,對Pb和Cd的降解率提高較多,說明接種AM真菌對根際底泥中Pb,Cd含量的降低起了顯著促進(jìn)作用。

2) 黑麥草對Zn的累積最多,但接種AM真菌對黑麥草體內(nèi)累積Zn總量的影響不太顯著。接種AM真菌使得黑麥草地上部分和地下部分累積Zn的百分比趨于一致,說明AM真菌可能起了一定的解毒作用,促進(jìn)了Zn在植物體內(nèi)由地下向地上部分的運(yùn)移。

3) 接種AM真菌能顯著提高黑麥草對Pb和Cd的吸收和累積,尤其是能大大促進(jìn)黑麥草地上部分對這兩種重金屬的累積。這表明,接種AM真菌能幫助降低Cd對植物的毒害,并且在Cd和Pb從黑麥草根部向葉片方向運(yùn)移的過程中,發(fā)揮了較大的輔助修復(fù)作用。

4) 接種AM真菌增加了黑麥草根際土壤菌群的多樣性,并使黑麥草葉片結(jié)構(gòu)變得紋理清晰。

[1] 李紅霞,趙新華,馬偉芳.植物對河道污染沉積物中重金屬的修復(fù)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,2(31):145-149.

[2] 張蕾,李紅霞,馬偉芳,等.黑麥草對復(fù)合污染河道疏浚底泥修復(fù)的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(1):107-112.

[3] Maria SD,Rivelli AR,Kuffner M,et al.Interactions between accumulation of trace elements and acronutrients in Salix caprea after inoculation with rhizosphere microorganisms [J].Chemospere,2011,84:1256-1261.

[4] Rufyikiri G,Declerck S,Thiry Y.Comparison of233U and33P uptake and translocation by the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices in root organ culture conditions [J].Mycorrhiza,2004,14(3):203-207.

[5] Chen BD,Li XL,Tao HQ.The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by red clover growing in a calcareous soil spiked with various quantities of zinc [J].Chemospere,2003,50(6):839-846.

[6] 穆巧梅,賀學(xué)禮,王蒙.不同宿主植物對井陘礦區(qū)AM真菌繁殖的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,42(4):85-88.

[7] 國家環(huán)境保護(hù)局,國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].1995.

(編輯：賈麗紅)

Phytoremediation of Heavy Metal in River Sediment After Inoculation with AM Fungi

LI Yanan,BAI Mei,LI Yazi,WANG Guoying,YUE Xiuping

(CollegeofEnvironmentScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Pot experiment in natural environment was conducted to study the assistant mechanism of adding arbuscular myeorrhizal (AM) fungi to improve phytoremediation efficiency.Lolium multiflorum Lam was selected to degrade heavy metal contamination in the dredged sediment of urban sewage river.The results show that the concentration of zinc,lead and cadmium (Zn,Pb and Cd) in sediment all decreased after phytoremediation,and the amount of Zn decreased the most of all.However,the degradation of Zn was not increased as much as that of Pb and Cd after inoculation of AM fungi.The plant accumulated much more amount of Zn than that of Pb and Cd,but AM fungi just heled promote the migration of Zn from root to shoot of the plant.AM fungi significantly improved the uptake and accumulation of Pb and Cd in the plant,especially the accumulation of those two metals in the shoot of the plant.Besides,AM fungi also increased the rhizosphere soil microbial diversity,and made the leaf of the plant have clearer texture.

river sediment;Lolium multiflorum Lam;arbuscular mycorrhizal fungi; heavy metal

2014-06-25

山西省留學(xué)回國人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目(143140108-S);山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20120311008-1);太原理工大學(xué)?；?2013Z007)

李亞男(1983-),女,山西呂梁人,博士,講師,主要從事環(huán)境污染控制和生物修復(fù)技術(shù)研究,(Tel)18636658360

1007-9432(2015)01-0100-04

X5

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.020