金盞菊根際圈黃土溶解性有機(jī)質(zhì)對Pb/Cd賦存形態(tài)原位調(diào)控機(jī)制的光譜學(xué)證據(jù)

范春輝，徐慧薈，張穎超

1.陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021 2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

金盞菊根際圈黃土溶解性有機(jī)質(zhì)對Pb/Cd賦存形態(tài)原位調(diào)控機(jī)制的光譜學(xué)證據(jù)

范春輝1，徐慧薈1，張穎超2

1.陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021 2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

溶解性有機(jī)質(zhì)；根際圈；黃土；Pb/Cd脅迫；金盞菊

引 言

溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)是生態(tài)系統(tǒng)中的活性化學(xué)組分，對于環(huán)境體系的組分循環(huán)和污染物遷移轉(zhuǎn)化具有調(diào)控作用。土壤DOM主要來源于生物質(zhì)腐殖化、微生物代謝產(chǎn)物和植物根系分泌物三方面，其中植物根系分泌物在土壤DOM中占有重要位置，日益成為學(xué)者們關(guān)注的焦點。植物根系分泌物是保持根際圈(rhizosphere)微生態(tài)功能的重要因子，其產(chǎn)生過程和產(chǎn)物性質(zhì)具有天然可變性，能夠有效暗示植物根系養(yǎng)分吸收和組分釋放的動態(tài)行為。Edwards[1]指出，植物根系活動較為旺盛，代謝過程的根系分泌物將直接導(dǎo)致較高的根際C容量和微生物活性；Baetz[2]也認(rèn)為作為屏障存在的植物根系分泌物可以降低土壤污染對植物的脅迫干擾。在污染土壤植物修復(fù)過程中，植物根系通過建立體外抗性作用保障植物的正常生理功能，這種主動防御過程通常更加積極有效。

植物根系(可溶性)分泌物包括可溶性糖(葡萄糖、果糖、麥芽糖等)、可溶性有機(jī)酸(草酸、檸檬酸、酒石酸等)和其他組分(膽堿、硫胺素、煙酸等)。這些組分的種類和含量變化代表了植物根系活動和生長發(fā)育的微觀特性，也預(yù)示著根際圈土壤污染物的遷移轉(zhuǎn)化和有效性差異。在重金屬脅迫條件下，植物根系分泌物的特異性將更加明顯，這種DOM特性的動態(tài)變化又會深度調(diào)控污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，形成“修復(fù)植物-根際圈土壤-環(huán)境污染物”體系的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對于土壤DOM的提取方法、來源解析、“質(zhì)”“量”差別、環(huán)境效應(yīng)等方面研究較多[3]；而以光譜技術(shù)為切入點，研究復(fù)合重金屬重度脅迫對植物幼苗根際圈土壤DOM性質(zhì)的影響涉及很少。這也成為本研究的重要立足點和關(guān)鍵目標(biāo)。

在前期研究中，筆者揭示了秸稈腐殖化對黃土DOM的影響、秸稈腐殖化DOM的性質(zhì)等內(nèi)容。本工作以金盞菊 (觀賞花卉) 為修復(fù)植物，初步分析Pb/Cd重度復(fù)合脅迫條件下，金盞菊幼苗根際圈黃土Pb/Cd賦存形態(tài)變化，以及根際圈黃土DOM的光譜性質(zhì)差異，力圖為后續(xù)研究提供參考和借鑒。

1 實驗部分

1.1 供試土樣

黃土樣品的采集、預(yù)處理方法參見文獻(xiàn)[4]，此處不再贅述。向黃土中均勻噴灑Pb(NO3)2和CdCl2溶液，充分?jǐn)嚢枋裹S土潤濕并混合均勻，人為配制Pb/Cd污染黃土。其中：黃土老化時間為15 d，Pb/Cd濃度分別為1 000 mg·kg-1黃土和30 mg·kg-1黃土。實驗用水為桶裝純凈水，化學(xué)試劑為光譜純和分析純。

1.2 盆缽實驗

盆栽容器為44 cm×20 cm×14 cm的矩形塑料盆，每盆裝有污染黃土(5.0±0.1)kg，金盞菊種子購于西安三色園藝有限責(zé)任公司。為了獲得合適的金盞菊幼苗，采用盆栽土培實驗培養(yǎng)：每盆均勻播種100粒，置于室外天然光照條件下培養(yǎng)并定期澆灌，使黃土含水量達(dá)到田間持水量的70%。從播種之日起，經(jīng)過60 d的培養(yǎng)后衡量金盞菊生長情況；同時提取金盞菊根際圈黃土DOM組分，以供相關(guān)分析檢測用。

1.3 根際圈黃土及DOM提取

根際圈黃土的提取采用抖落法[5-6]，這種方法是被美國土壤學(xué)會(SSSA)接受的方法。其操作流程為：在金盞菊幼苗完成既定生長周期后，隨機(jī)選取盆缽中若干株長勢一致的健壯金盞菊樣本連根提起；期間注意拔起力度，以避免破壞或改變金盞菊微根系環(huán)境。之后小心剪下帶土的根，輕輕抖動，落下的土壤為非根際圈黃土，仍然粘附和殘留于根系上的為根際圈黃土；用毛刷將根際圈黃土收集后裝入帶封口的聚四氟乙烯樣品袋，標(biāo)記后保存?zhèn)溆谩?/p>

將根際圈黃土初步研磨后過篩(100目)，土樣與純凈水按1∶5的土水比(m∶V, g·mL-1) 混合后振蕩 (24 h, 150 r·min-1, 25 ℃)、離心 (5 000 r·min-1, 5 min)、上清液過濾 (0.45 μm濾膜) 后，即得根際圈黃土DOM樣品。

1.4 分析方法

為了考察金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態(tài)的變化規(guī)律，設(shè)置CK (Pb/Cd污染黃土)、Lead(Pb污染黃土+金盞菊)、Cadmium(Cd污染黃土+金盞菊)和Lead/Cadmium(Pb/Cd污染黃土+金盞菊)四種處理；其中Pb/Cd總量采用混合酸消化法(HCl-HNO3-HF-HClO4)測定，Pb/Cd形態(tài)采用Tessier連續(xù)提取-石墨爐原子吸收(Z-2000, HITACHI) 法檢測，具體分析步驟見表1。

表1 金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態(tài)的Tessier連續(xù)提取法

實驗中每個樣品均做3次平行，黃土理化性質(zhì)的測定以文獻(xiàn)[7]為依據(jù)。SEM(TM-1000, HITACHI) 放大倍數(shù)分別為×500和×1 000；UV光譜(UV2300, 上海天美)掃描波長為200～700 nm；凍干后DOM樣品的FTIR光譜(VECTOR-22, BRUKER)測試采用KBr壓片法，掃描范圍4 000～400 cm-1；熒光光譜(F-4600, HITACHI)的激發(fā)光源為150 W氙燈，PMT電壓700 V。所得數(shù)據(jù)采用Origin軟件處理和繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 Pb/Cd賦存形態(tài)

金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態(tài)分布規(guī)律如表2所示。根際圈黃土Pb/Cd均以殘渣態(tài)和可交換態(tài)為主，兩者合計占到Pb/Cd全量的65%以上，其余三種形態(tài)Pb/Cd含量較低。這種不同處理組可交換態(tài)Pb/Cd含量較高的情況，源于污染黃土老化時間較短；相比之下，Cd賦存形態(tài)的變化尺度更為明顯，這可能與元素性質(zhì)及其穩(wěn)定性有關(guān)。相對于CK體系，金盞菊根際圈黃土有效態(tài)Pb/Cd含量有所增加，其中可能涉及根系分泌物、微生物活動以及根際圈黃土環(huán)境條件 (pH，Eh，DOM性質(zhì)等) 的影響，因為有諸多學(xué)者發(fā)現(xiàn)植物根系可以通過泌氧作用、化感作用等“生物反饋”途徑調(diào)控污染物形態(tài)，進(jìn)而形成“隔離屏障”保障自身生長發(fā)育[8-9]。當(dāng)然，具體原因還有待深入探究。

2.2 金盞菊生長狀況

重金屬脅迫對金盞菊幼苗生長發(fā)育的影響見表3。與CK(無脅迫)相比，重金屬單一/復(fù)合脅迫對金盞菊株高和出苗率都具有抑制作用，源于重金屬直接作用于植物細(xì)胞系統(tǒng)，導(dǎo)致自身代謝功能受損。在Pb/Cd高度脅迫條件下，金盞菊出苗率仍維持在45%以上，暗示了其對重金屬脅迫的忍耐性和污染場地修復(fù)的內(nèi)在潛力。黃土Pb/Cd對金盞菊生物量(根干重和植株干重)的影響不大，但脅迫后的根長略有增加。通常認(rèn)為，重金屬脅迫能降低植物根細(xì)胞有絲分裂速度，進(jìn)而導(dǎo)致植物根長變短。但Ricken[10]指出重金屬也可能通過調(diào)控作用間接促進(jìn)植物根系生長，不排除根系對重金屬脅迫產(chǎn)生的“回避機(jī)制”，這種微型“生態(tài)修復(fù)單元”可能有利于減緩重金屬對植物根系的毒害作用。

表2 金盞菊根際圈黃土Pb/Cd賦存形態(tài)分布

表3 Pb/Cd脅迫對黃土區(qū)金盞菊幼苗生長的影響

2.3 黃土理化性質(zhì)

與黃土原樣相比，無論是否存在Pb/Cd脅迫作用，金盞菊的生長過程都能一定程度上影響黃土體系理化性質(zhì) (表4)。幼苗期金盞菊能夠降低黃土容重，說明修復(fù)過程黃土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和孔隙特性有所變化，這有助于黃土體系水、熱、氣、肥的循環(huán)流通。金盞菊幼苗可以降低黃土pH值，推測其中可能存在金盞菊根系代謝分泌物 (有機(jī)酸、糖類等) 的貢獻(xiàn)，也可能是金盞菊根系對黃土離子組分選擇性吸收的結(jié)果。黃土CEC的降低可能與pH值的減小有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，而有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率的升高則反映了植物/微生物的協(xié)同作用[11]。總體來看，在Pb/Cd植物修復(fù)過程中，金盞菊幼苗對黃土理化性質(zhì)的影響是積極的，預(yù)期可以達(dá)到污染生態(tài)修復(fù)和黃土性質(zhì)改良的雙重目標(biāo)。

表4 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗生長對黃土性質(zhì)的影響

圖1 黃土區(qū)Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根系表觀形態(tài)

2.4 掃描電鏡

Pb/Cd復(fù)合脅迫對金盞菊根部表觀形貌的影響見圖1。正常條件下[圖1(a)]的金盞菊根部直徑較大，根毛濃密，側(cè)根較多，根部微形態(tài)清晰可辨；而Pb/Cd脅迫[圖1(b)]對金盞菊根部形態(tài)影響較大，根部整體呈現(xiàn)細(xì)長、彎曲且萎縮的狀態(tài)，略有分叉和突起現(xiàn)象，根毛數(shù)量顯著減少，但剖面組織較為光潔，基本無多余物質(zhì)出現(xiàn)。這種根部表面形態(tài)差異可能暗示了根系表皮組織能夠?qū)b/Cd脅迫做出有效響應(yīng)，進(jìn)而(盡量)保障養(yǎng)分的吸收運(yùn)輸和新陳代謝的正常進(jìn)行[12]。

2.5 紫外可見光譜

金盞菊根際圈黃土DOM的紫外可見吸收光譜如圖2所示。隨著紫外吸收波長的增加，吸光度呈現(xiàn)總體下降趨勢。兩種根際圈黃土DOM紫外光譜的最大吸收區(qū)間都出現(xiàn)在200～240 nm范圍，但Pb/Cd脅迫對紫外光譜的波形和波峰影響較大。譜線a中主要吸收帶位于213和226 nm附近；而譜線b中波峰更加尖銳，峰強(qiáng)更大，比如在209，215，222 nm等處。這種現(xiàn)象可能源于金屬離子與配體絡(luò)合后的電荷轉(zhuǎn)移躍遷，也有可能疊加了某些陰離子(含氧酸根、過渡金屬水合離子等)在低波段的強(qiáng)紫外吸收[13-14]。譜線a在240～360 nm區(qū)段出現(xiàn)若干雜峰，吸光度下降幅度平緩；而譜線b則沒有出現(xiàn)雜峰，且吸光度急劇降低，至350 nm波長后紫外吸收強(qiáng)度趨于不變。一般認(rèn)為，270～350 nm內(nèi)的弱吸收峰代表化合物含有帶n電子的未共軛發(fā)色團(tuán)，主要是由n→π*躍遷引起。而譜線b中的弱峰消失，可能暗示金屬離子的存在已導(dǎo)致發(fā)色團(tuán)體系化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化[15]。

圖2 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的紫外可見吸收光譜

Fig.2 UV absorption spectra of DOM fromCalendulaofficinalisseedling’s Rhizosphere loess under lead/cadmium stress

2.6 紅外光譜

圖3 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的紅外光譜

Fig.3 FTIR spectra of DOM fromCalendulaofficinalisseedling’s rhizosphere loess under lead/cadmium stress

2.7 三維熒光光譜

金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的三維熒光光譜見圖4?？傮w上看，Pb/Cd脅迫主要影響DOM的熒光峰強(qiáng)，而對熒光峰位干擾很小，不會造成新熒光峰產(chǎn)生或已有熒光峰消失。無脅迫金盞菊根際圈黃土DOM[圖4(a)]熒光峰集中出現(xiàn)在λex/em=240/430附近，歸屬為紫外區(qū)類富里酸熒光峰，其熒光強(qiáng)度為2 253(無量綱, 下同)；而Pb/Cd復(fù)合脅迫條件下DOM[圖4(b)]熒光峰強(qiáng)降為1 561。兩種體系熒光強(qiáng)度差異的原因在于：金屬離子是典型的熒光猝滅劑，對于DOM的電荷濃度和共軛主鏈結(jié)構(gòu)影響較大，極易導(dǎo)致配位作用和熒光猝滅現(xiàn)象發(fā)生[17]。此外，DOM熒光圖譜沒有出現(xiàn)類蛋白、類腐殖酸等其他特征熒光峰。這說明實驗條件下，根際圈黃土微生物活性不強(qiáng)，使得微生物源的類蛋白熒光峰沒有顯現(xiàn)；而DOM分子間的聚合作用或較低的類腐殖酸含量也可能導(dǎo)致對應(yīng)熒光信號的掩蔽[18]。當(dāng)然，本熒光光譜結(jié)果可能涉及黃土理化性質(zhì)(pH、共存離子強(qiáng)度等)、熒光自吸等外界干擾因子，對此可以嘗試多種儀器分析方法的協(xié)同驗證。

圖4 Pb/Cd脅迫金盞菊幼苗根際圈黃土DOM的三維熒光光譜

Fig.4 Three-dimensional fluorescence spectrum of DOM fromCalendulaofficinalisseedling’s rhizosphere loess under lead/cadmium stress

近些年，植物根系分泌物相關(guān)研究變得異?；钴S。這一方面源于其定性定量分析的不確定性，另一方面也因為其獨特的生態(tài)調(diào)控效應(yīng)(化感作用、金屬抗性等)[19]。根系分泌物能有效反映植物生境的異質(zhì)性，對于根際圈微生態(tài)群落的演替進(jìn)化具有指示作用。本工作初步揭示了Pb/Cd脅迫對金盞菊根際圈黃土DOM影響的光譜學(xué)性質(zhì)，但從現(xiàn)有資料看，尚有諸多問題還沒有得到根本解決[20]，比如根系分泌物的時空差異、信息傳遞機(jī)制和環(huán)境生態(tài)效應(yīng)等。這要求今后不斷加強(qiáng)實驗深度和廣度，要將宏觀研究(盆栽實驗、場地修復(fù)等)和微觀證據(jù)(儀器技術(shù)、基因技術(shù)等)相結(jié)合，進(jìn)而全面揭示并形成相關(guān)理論體系。

3 結(jié) 論

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(Received Oct.7, 2015; accepted Jan.30, 2016)

Spectral Evidence ofIn-SituRegulatory Mechanisms on Chemical Speciation of Lead/Cadmium Affected by Dissolved Organic Matter Extracted from Rhizosphere Loess ofCalendulaOfficinalisSeedling

FAN Chun-hui1, XU Hui-hui1, ZHANG Ying-chao2

1.School of Environmental Science & Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China 2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Dissolved organic matter; Rhizosphere; Loess; Lead/cadmium stress;Calendulaofficinalis

2015-10-07，

2016-01-30

國家自然科學(xué)基金項目(21407103), 中國博士后科學(xué)基金項目(2012M511968)和陜西科技大學(xué)科研基金項目(2014xhbz-06)資助

范春輝, 1982年生, 陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院講師 e-mail: frank_van391@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2852-06