多環(huán)芳烴脅迫下根系分泌物對(duì)根際微生物降解效能的影響

潘聲旺, 劉　燦， 黃方玉， 李亞闌， 唐海云， 楊　婷

(成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都　610106)

?

多環(huán)芳烴脅迫下根系分泌物對(duì)根際微生物降解效能的影響

潘聲旺, 劉燦， 黃方玉， 李亞闌， 唐海云， 楊婷

(成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都610106)

摘要：借助盆栽模擬試驗(yàn)，研究了多環(huán)芳烴脅迫下黑麥草根系分泌物質(zhì)對(duì)根際微生物降解效能的影響.結(jié)果顯示：在試驗(yàn)濃度為0～343.61 mg·kg(-1)范圍內(nèi)，根系分泌物—土壤微生物系統(tǒng)(TR2) 對(duì)多環(huán)芳烴代表物菲的去除效果具有明顯的促進(jìn)作用.3個(gè)處理中，TR2對(duì)菲的去除率最高(77.57%)，比對(duì)照組(CK)高33.49%，比添加NaN3系統(tǒng)(TR1)高58.16%.借助細(xì)菌計(jì)數(shù)法對(duì)根際微生物數(shù)量的檢測(cè)結(jié)果則顯示，相同污染水平下，TR2系統(tǒng)里微生物數(shù)量最多，CK次之，TR1最少.試驗(yàn)表明，黑麥草根系分泌物對(duì)根際微生物降解效應(yīng)的促進(jìn)作用可能與根際微生物種群數(shù)量的變化有關(guān)，即根系分泌物的存在促進(jìn)了根際微生物種群數(shù)量的提高，進(jìn)而強(qiáng)化了根際微生物的降解效能.

關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴；黑麥草；根系分泌物；根際微生物

0引言

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatichydrocarbons，PAHs)是環(huán)境中普遍存在的一類持久性有機(jī)污染物，且多數(shù)具有致畸、致癌、致突變的“三致”作用.因其性質(zhì)穩(wěn)定、水溶性差，其在環(huán)境中的含量逐年上升.在我國(guó)，農(nóng)田土壤PAHs 背景值平均在10～20 μg·kg-1，部分區(qū)域已達(dá)到102～104 μg·kg-1，修復(fù)土壤PAHs污染已成為環(huán)境科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[1].與其他修復(fù)技術(shù)相比較，有機(jī)物污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)具有高效、價(jià)廉、環(huán)境友好、無二次污染等特性[2]，十分符合現(xiàn)今環(huán)境治理的要求.植物修復(fù)有機(jī)污染的方式主要有污染物降解和穩(wěn)定化2大類，分別通過植物提取、植物揮發(fā)、植物降解和植物穩(wěn)定化等途徑完成.植物修復(fù)過程中，大約有20%有機(jī)污染物被同化，其余80%則被根際微生物降解[3].研究已證實(shí)，修復(fù)植物的根系分泌物質(zhì)在形成土壤結(jié)構(gòu)，活化土壤養(yǎng)分，緩解環(huán)境脅迫等方面都具有重要作用[4-5]，同時(shí)其也為根際微生物提供重要的營(yíng)養(yǎng)和能量物質(zhì)，并對(duì)根際微生物的數(shù)量、種類及其活性產(chǎn)生影響[6].鑒于此，本研究擬以多環(huán)芳烴類的菲為PAHs代表物，以黑麥草(Lolium multiforum)為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究PAHs脅迫下，黑麥草的根系分泌物對(duì)根際微生物降解效應(yīng)的影響，擬為植物修復(fù)技術(shù)的深入研究與實(shí)踐提供參考.

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1土壤.

供試土壤為中性紫色土，采自成都大學(xué)十陵校區(qū)旱地表層，取樣深度為5～15 cm.新鮮土樣去除石子和植物殘?bào)w后分為2部分：一部分直接過9 mm篩后混合均勻，供盆栽培養(yǎng)植物用；另一部分風(fēng)干后研磨過2.5 mm篩，用于土壤基本性質(zhì)測(cè)定[7].經(jīng)檢測(cè)，供試土壤的理化性質(zhì)為：pH值為7.41，有機(jī)質(zhì)含量1.05%，陽離子交換量(CEC)20.37 cmol·kg-1，完全可用作模擬修復(fù)試驗(yàn).

1.1.2植物.

選取修復(fù)效果較好的黑麥草為供試植物，其幼苗采自成都大學(xué)無PAHs污染的草坪及其周邊地區(qū)，選擇周齡大小相當(dāng)?shù)闹仓辏扔?%雙氧水消毒，再用蒸餾水清洗其根部后作移栽使用.

1.1.3儀器.

試驗(yàn)所用儀器包括：KH-250DB型數(shù)控超聲波清洗器(昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司)，DHP-9080B型電熱恒溫培養(yǎng)箱(上?，樮帉?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)，80-2型低速離心機(jī)(江蘇金壇正基儀器有限公司)，ESJ200-4型電子天平(沈陽龍騰電子有限公司)，DHG-9426型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)，高壓蒸氣滅菌鍋等.

1.1.4試劑.

試驗(yàn)所用試劑包括：菲、氯化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉、甲醇、硅膠、二氯甲烷、丙酮、無水硫酸鈉、正己烷、無水乙醇均為分析純，購(gòu)自成都市科農(nóng)化工試劑廠；牛肉膏、蛋白胨、瓊脂(市售)等.

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中采用土培法進(jìn)行黑麥草根系培養(yǎng)[8]，待培養(yǎng)40 d后，利用水培法[9]對(duì)黑麥草植株進(jìn)行PAHs脅迫處理，收集根系分泌物.

依照一定濃度梯度分別稱取5組不同量的菲溶于丙酮溶液中，均勻?yàn)⒃谕寥辣韺樱獡]發(fā)后，多次攪拌，混勻，黑色塑料袋封口、加蓋，室溫下平衡7 d.利用分光光度法測(cè)定土壤中菲的初始濃度分別為66.67 mg·kg-1(C1)、138.47 mg·kg-1(C2)、205.14 mg·kg-1(C3)、282.07 mg·kg-1(C4)、343.61 mg·kg-1(C5).

模擬修復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)處理，5個(gè)重復(fù)：處理一(對(duì)照組，CK1)，PAHs污染土樣；處理二(TR1)，加入0.05%的NaN3(抑制微生物活性[8])的PAHs污染土樣；處理三(TR2)，加入黑麥草根系分泌物的PAHs污染土樣.各處理溫室平衡7 d后，分別檢測(cè)土壤中菲的殘留濃度.

精確稱量牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、瓊脂20 g配制成培養(yǎng)基溶液，用10 mol·L-1NaOH將pH值調(diào)制在7左右，將加熱溶解后的培養(yǎng)基趁熱分裝于5個(gè)三角錐形瓶中，分裝量不得超過錐形瓶的三分之二，分別加塞并在0.103 MPa、121 ℃條件下，20 min高壓蒸汽滅菌.將滅菌后的培養(yǎng)基在沒有凝固之前倒入同樣滅菌的平板(共288套)中，利用混菌法分別對(duì)不同處理各個(gè)污染水平的根際土壤懸液接種，共15組，另設(shè)無PAHs污染土樣為對(duì)照組(CK2)，按照一定濃度梯度(取0、10、20、30、40、50 mL根系分泌物濃縮液定容至50 mL)分別向含16組平板中加入2 mL黑麥草根系分泌物，各設(shè)置3個(gè)平行.20 ℃下無菌培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)7 d后，計(jì)算各自菌落數(shù).

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進(jìn)行基礎(chǔ)處理, 不同處理間的差異顯著性借助SPSS 11.5軟件LSD法分析.PAHs的去除率(R)計(jì)算公式為，

式中，C0代表土壤中PAHs初始濃度，Ct表示各處理下土壤中的殘留濃度.

2結(jié)果與分析

2.1不同處理土壤中菲的去除率差異

模擬修復(fù)試驗(yàn)溫室平衡7d后，CK、TR1、TR2處理所在土壤中PAHs的殘留濃度與初始濃度關(guān)系如圖1所示.

圖1不同處理?xiàng)l件下土壤中菲的殘留量

由圖1可以看出，隨著菲污染水平的增加，土壤中的殘留濃度也相應(yīng)增大；相同污染濃度下，土壤中菲的殘留濃度表現(xiàn)為TR1>CK>TR2，差異明顯(P>0.05).在去除效果上，土壤—微生物—根系分泌物系統(tǒng)(TR2)所在土壤中菲的去除率平均為77.57%；土壤微生物活性被抑制的土壤—微生物系統(tǒng)(TR1)所在土壤中菲的平均去除率為19.41%；土壤系統(tǒng)(CK)所在土壤菲的平均去除率為為44.08%，不同處理間差異明顯(P>0.05).因自然光解、揮發(fā)、吸附等作用在植物修復(fù)過程中的貢獻(xiàn)率相對(duì)較小[10]，TR2處理中菲的高去除率可能主要源自所添加的根系分泌物對(duì)土壤微生物降解的促進(jìn)作用.

2.2根系分泌物添加量對(duì)土壤中菲的降解率影響

根系分泌物的添加量對(duì)菲的降解率的影響如圖2所示.

圖2根系分泌物添加量對(duì)土壤中菲的降解率的影響

由圖2可以看出，土壤中菲的殘留量隨根系分泌物添加量的增加而減少，修復(fù)效果隨根系分泌物添加量的增加而增強(qiáng)，添加量為30 mL時(shí)增幅最大.

2.3不同處理?xiàng)l件對(duì)土壤中細(xì)菌總數(shù)的影響

不同污染水平下3個(gè)處理中的主要降解菌(細(xì)菌)總數(shù)的變化情況如圖3所示.

圖3污染水平對(duì)細(xì)菌數(shù)的影響

由圖3可看出，同一個(gè)污染水平下，細(xì)菌數(shù)最多的為TR2，CK次之，TR1最少.對(duì)比分析CK和TR2可知，根系分泌物的存在使得土壤修復(fù)系統(tǒng)中降解菌(細(xì)菌)總數(shù)增加.CK處理下的降解菌(細(xì)菌)總數(shù)明顯少于TR2土壤中的降解菌(細(xì)菌)總數(shù)，說明根系分泌物的存在加快了細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝，使得土壤中降解菌(細(xì)菌)總數(shù)增多.相同處理中降解菌(細(xì)菌)總數(shù)則隨著污染水平的增大而增加，其原因可能與高濃度的污染物存在能夠?yàn)榻到饩纳L(zhǎng)提供更多的可利用的碳源有關(guān).

2.4根系分泌物添加量對(duì)土壤中細(xì)菌總數(shù)的影響

相同污染水平(C3)下，TR2處理中不同根系分泌物添加量對(duì)細(xì)菌總數(shù)的影響如圖4所示.

圖4根系分泌物添加量對(duì)細(xì)菌數(shù)的影響

由圖4可以看出，根系分泌物添加量越多，土壤修復(fù)系統(tǒng)中主要降解菌(細(xì)菌)總數(shù)就越多，說明根系分泌物的存在加快了細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝，使得土壤中的降解菌(細(xì)菌)總數(shù)增多.試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，在其他污染水平條件下，根系分泌物添加量對(duì)細(xì)菌總數(shù)的影響趨勢(shì)C3污染水平下相同.

3討論

本試驗(yàn)表明，黑麥草根系分泌物對(duì)PAHs代表物菲的降解有促進(jìn)作用.土壤中菲的降解平衡7 d后，TR2處理(加入了黑麥草根系分泌物)所在土壤菲的降解率為77.57%，去除效果明顯大于CK、TR1.相同污染水平下，TR2中主要降解菌(細(xì)菌)總數(shù)明顯大于CK，說明根系分泌物對(duì)微生物的生長(zhǎng)代謝有促進(jìn)作用.相同污染水平下，土壤中主要降解菌(細(xì)菌)總數(shù)隨根系分泌物添加量的增加而增加，說明根系分泌物為微生物的生長(zhǎng)代謝提供了營(yíng)養(yǎng)條件.當(dāng)達(dá)到一定限值后，根系分泌物濃度對(duì)主要降解菌(細(xì)菌)總數(shù)的影響逐漸減小，這是因?yàn)橥寥牢⑸飳?duì)其自身的營(yíng)養(yǎng)達(dá)到飽和.盡管土壤吸附、揮發(fā)、光解等過程也是土壤中菲的減少原因之一，但根系分泌物—微生物之間的交互作用則是修復(fù)土壤菲污染的主要途徑[10].

本試驗(yàn)中，TR1中菲濃度的降低主要是非生物(揮發(fā)、光解、土壤吸附等)作用的結(jié)果，但非生物因素的去除不是主要的原因，僅占19.41%.而CK中菲濃度的降低主要有2方面原因：第一，土壤中固有微生物分解即原著微生物的降解作用，這部分作用貢獻(xiàn)率可用TR1的平均去除率減去CK的平均去除率得到，原著微生物降解作用為24.67%，可見原著微生物的去除也不是系統(tǒng)中菲減少的主要原因；第二，非生物作用(揮發(fā)、光解、土壤吸附)的結(jié)果，這部分作用與TR1的去除率相同，為19.41%.對(duì)比分析CK與TR1可知，微生物作用為24.67%，非生物因素作用為19.41%，污染土壤中微生物降解菲效果高于非生物因素，CK處理土壤比TR1處理土壤多降解的菲為微生物作用結(jié)果.TR2中菲濃度的降低是土壤微生物分解、非生物作用(揮發(fā)、光解、土壤吸附等)與根系分泌物對(duì)根際微生物降解效能促進(jìn)作用三者共同作用的結(jié)果.其中，根系分泌物與微生物共同作用為77.57%，根系分泌物促進(jìn)微生物降解為33.49%.對(duì)比分析3個(gè)處理下土壤中菲的殘留量可知，土壤微生物對(duì)PAHs代表物菲有降解效果，黑麥草根系分泌物對(duì)PAHs的降解具有促進(jìn)作用.

此外，相同的污染水平下，土壤中菌落數(shù)隨根系分泌物添加量的增加而增加，達(dá)到一定限值后增加趨勢(shì)減小，主要原因是根系分泌物的存在為微生物的生長(zhǎng)提供了能量，加快了微生物生長(zhǎng)代謝的速度，土壤中微生物數(shù)量迅速增加，其降解率也就相應(yīng)增加.可見，在整個(gè)過程中，根系分泌物起到了增加微生物的數(shù)量和提高微生物降解效能的作用.同時(shí)，土壤中的根系分泌物含量達(dá)到一定值后，即超過了微生物所需的能量，則根系分泌物對(duì)微生物的影響也減小.也就是說，根系分泌物達(dá)到一定的范圍后，微生物生長(zhǎng)代謝所需營(yíng)養(yǎng)達(dá)到飽和，此時(shí)根系分泌物添加量對(duì)降解菌數(shù)目的影響減小.

4結(jié)論

植物修復(fù)過程中，根系分泌物對(duì)根際微生物的降解效能具有促進(jìn)作用.在7d的修復(fù)平衡試驗(yàn)中，約有77.57%的菲被降解,但非生物因子作用僅占土壤中菲總量的19.41%，微生物作用占44.08%，根系分泌物—微生物協(xié)同作用比微生物單獨(dú)作用菲的殘留量低33.49%.根系分泌物的存在為微生物生長(zhǎng)代謝提供營(yíng)養(yǎng)和能量物質(zhì)，代謝活性加快，微生物種群數(shù)量增多，進(jìn)而強(qiáng)化了根際微生物的降解效能，提高了土壤中PAHs降解率.

參考文獻(xiàn)：

[1]譚文捷,李宗良,丁愛中,等.土壤和地下水中多環(huán)芳烴生物降解研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境,2007,16(4):1310-1317.

[2]周啟星,宋玉芳.植物修復(fù)的技術(shù)內(nèi)涵及展望[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2001,1(3):48-53.

[3]戴青松,韓錫榮,黃浩,等.根際微生物對(duì)土壤有機(jī)物修復(fù)現(xiàn)狀和發(fā)展[J].環(huán)境科技,2014,27(1):71-74.

[4]Guo T,Zhang G,Zhou M,et al.Influenceofaluminumandcadmiumstressesonmineralnutritionandrootexudatesintwobarleycultivars[J].Pedosphere,2007,17(4):505-512.

[5]Zeng F,Chen S,Miao Y,et al.ChangesoforganicacidexudationandrhizospherepHinriceplantsunderchromiumstress[J].Environ Pollut,2008,155(2):284-289.

[6]王茹華,張啟發(fā),周寶利,等.淺析植物根分泌物與根際微生物的相互作用關(guān)系[J].土壤通報(bào),2007,38(1):167-172.

[7]中國(guó)土壤學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會(huì).土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法[M].北京:科學(xué)出版社，1983.

[8]潘聲旺,魏世強(qiáng),袁馨,等.環(huán)毛蚓在高羊茅修復(fù)土壤菲污染過程中的作用[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2010,19(3):594-598.

[9]王文斌,吳小平,尹玉蓮,等.水培條件下橡膠樹幼苗根系分泌物的GC-MS分析[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2010,31(12):2281-2286.

[10]Pan S W,Wei S Q,Yuan X,et al.Theremovalandremediationofphenanthreneandpyreneinsoilbymixedcroppingofalfalfaandrape[J].Agr Sci Chin，2008,7(11)：1355-1364.

Influence of Root Exudates on Efficiency of Rhizosphere Microbial Degradation under PAHs Stress

PANShengwang，LIUCan，HUANGFangyu，LIYalan，TANGHaiyun，YANGTing

(School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University， Chengdu 610106, China)

Abstract：Pot simulation tests are carried out to investigate the influence of ryegrass root exudates on the efficiency of rhizosphere microbial degradation under PAHs stress.The results show that the root exudates and soil microorganism system (TR2) has a significant facilitation on the removal of phenanthrene which is a representative of polycyclic aromatic hydrocarbons when the test concentration is within the area of 0～343.61mg·kg(-1).Among three different treatments,the removal rate of phenanthrene in root exudates-soil microorganism system is the highest,77.57%,33.49% higher than that of the compared group (CK) and 58.16% higher than the system (TR1) with addition of NaN3.By using bacteria counting method,the paper tests the rhizosphere microbial quantity.The results show that under the same pollution level,TR2 system has the largest number of microorganism,and then comes the CK system.TR1 system has the least microorganism.The tests illustrate that the facilitation function of ryegrass root exudates on the rhizosphere microbial degradation might be related to the change of the quantity of the rhizosphere microbial communities.The existence of root exudates promotes the increase of the number of rhizosphere microbial quantity and then improves the degradation ability of rhizosphere microorganism.

Key words：polycyclic aromatic hydrocarbons;ryegrass;root exudates;rhizosphere microorganism

中圖分類號(hào)：X172；Q939.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：潘聲旺(1973 — )， 男， 博士， 副教授， 從事環(huán)境生態(tài)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究.

收稿日期：2016-01-10.

文章編號(hào)：1004-5422(2016)01-0086-04