AMF對美人蕉修復水體除草劑污染的影響

董 靜，王 立，馬 放，齊珊珊，張 雪，趙 廷

(1.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，哈爾濱 150090)

AMF對美人蕉修復水體除草劑污染的影響

董 靜1,2，王 立1,2，馬 放1,2，齊珊珊1,2，張 雪1,2，趙 廷1,2

(1.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，哈爾濱 150090)

阿特拉津在水體中的殘留對水生環(huán)境和人類健康具有重大的威脅，植物修復是針對環(huán)境中阿特拉津的有效原位修復方法.采用水培盆栽試驗研究叢枝菌根真菌對美人蕉植物修復阿特拉津的影響,結果表明：在接種叢枝菌根真菌30 d后，美人蕉與叢枝菌根真菌形成穩(wěn)定的共生關系，美人蕉根系的菌根侵染率達(22.1±4.6)%；叢枝菌根真菌緩解了阿特拉津對美人蕉生長的抑制作用，提高了在阿特拉津脅迫下美人蕉的株高、根長和生物量，菌根效應在美人蕉的生長上作用顯著，并且在阿特拉津質量濃度為5 mg·L-1時，菌根效應達到最大值；接種叢枝菌根真菌可以顯著提高美人蕉對阿特拉津的降解速率，減小阿特拉津的半衰期，并且提高美人蕉植物修復阿特拉津的適用質量濃度范圍.接種叢枝菌根真菌的美人蕉是阿特拉津污染修復的理想選擇，本研究為阿特拉津水體污染原位修復提供一種可行的解決方案.

阿特拉津；植物修復；叢枝菌根真菌；美人蕉；降解速率

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)可以廣泛地與植物形成共生關系，甚至在有機污染物污染的地方[1-3]，并且叢枝菌根真菌可以有效地提高植物對營養(yǎng)物質的吸收，緩解污染物對植物的毒性[4-5].阿特拉津，又名莠去津，是一種在農、林業(yè)上廣泛應用的三嗪類除草劑[6-7].由于阿特拉津使用時間長，具有土壤淋溶性，可以隨地表徑流進入水體，并且浸滲入地下水.作為一種潛在的人類致癌物質和內分泌干擾物質，阿特拉津在環(huán)境中的殘留引起重視[7-8]，亟需其污染修復方法的研發(fā)[9-10].

植物修復作為一種經濟適用的原位修復技術，在有機污染物修復方面具有巨大的應用潛力[11-12].水生植物修復在水生環(huán)境除草劑污染修復上也有一定的應用[13-14].美人蕉是一種廣泛應用于人工濕地中的水生植物，具有優(yōu)良的脫氮除磷效能和景觀適宜性，經叢枝菌根真菌接種的美人蕉在外源性污染物的植物修復領域也有一定的應用[15].高質量濃度的除草劑會對水生植物造成傷害，從而影響植物修復的效率和植物修復系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16].利用叢枝菌根真菌的菌根修復技術能針對性地克服微生物修復及植物修復有機污染物的不足，綜合利用微生物、植物、菌根真菌及其相互作用的根際和菌(絲)圍環(huán)境，可以顯著地影響阿特拉津的植物提取與轉運，并且影響阿特拉津在土壤中的消散與降解[17-18].前期研究結果表明，叢枝菌根真菌可以與美人蕉形成良好的共生關系，并且提高了水體中阿特拉津植物修復的去除率[19].本研究在前期工作的基礎上，延長美人蕉-叢枝菌根真菌共生體系對阿特拉津降解的時間，追蹤不同時間段阿特拉津的降解率，考察叢枝菌根真菌對阿特拉津降解速率和半衰期的影響，為菌根技術在阿特拉津污染修復領域的應用提供理論指導作用.

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗于2014年5月—8月在哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室面源污染防治與生態(tài)修復綜合試驗區(qū)進行.

供試植物：黃花美人蕉(CannaindicaL. var.flavaRoxb.)，購于河北省安新縣永信水生植物種植專業(yè)合作社，選取株高15 cm長勢一致的幼苗，所用幼苗裸根培養(yǎng)于土壤中.

供試菌劑：叢枝菌根真菌菌劑摩西球囊霉(Funnelliformismosseae)，由黑龍江大學生命學院宋福強教授提供，此菌種保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏號為CGMCC No. 3012，以白三葉草為宿主植物，土壤、沙子、蛭石以體積比2∶5∶3混合作為基質進行擴繁，獲得內含侵染植物根段、菌絲及孢子體的根際土作為接種菌劑，每克菌劑中含有20～25個摩西球囊霉孢子.

供試化學藥品：試驗用除草劑阿特拉津純品(BR，純度97%)購于上海一基實業(yè)有限公司，高效液相色譜分析標準品(HPLC，純度99.0%)購于美國Sigma公司.

1.2 試驗設計

1.2.1 菌根植物的培養(yǎng)

試驗采用盆栽，所用小盆直徑為110 mm，高度為100 mm，采用蛭石作為植物培養(yǎng)基質，每個小盆中裝有蛭石60 g，所用蛭石經121 ℃下高溫高壓蒸汽滅菌2 h，每天滅菌1次，重復3 d，以保證去除其中原本含有的叢枝菌根真菌等微生物.

試驗設置不接菌的對照組(CK)和接菌的菌根組(FM)兩種處理，其中對照組每盆添加經滅菌處理的叢枝菌根真菌菌劑12 g，菌根組每盆接種叢枝菌根真菌菌劑12 g.每盆中栽種一棵美人蕉幼苗，培養(yǎng)過程中以4倍稀釋的霍格蘭營養(yǎng)液澆灌植物，每2 d澆水1次.將所有的試驗盆隨機擺放在溫室中，培養(yǎng)30 d.

1.2.2 不同處理的美人蕉對阿特拉津的降解試驗

將培養(yǎng)30 d的對照組和菌根組兩組植物分別進行阿特拉津的降解試驗.阿特拉津設置0，0.1，0.5，1，3，5，10，15 mg·L-18種不同的質量濃度，其中質量濃度0 mg·L-1為空白對照.用4倍稀釋的霍格蘭營養(yǎng)液配置相應質量濃度的阿特拉津溶液，每組3盆植物放置于裝有5 L阿特拉津溶液的大盆中，所用大盆直徑為300 mm，高度為145 mm，小盆放入后大盆的液面略沒過小盆，每2 d補充4倍稀釋的霍格蘭營養(yǎng)液至5 L，每個質量濃度設置3組重復.降解試驗為期35 d，每7 d取樣一次測定水中殘留的阿特拉津質量濃度，試驗結束時取樣測定植物株高、根長和生物量等指標.

1.3 測定方法

1.3.1 植物根系AMF侵染率的測定

侵染率測定樣品采樣時間為接種菌劑30 d后，剪取1 cm長的根段，用酸性品紅溶液染色法，于10倍顯微鏡下觀察菌根發(fā)育狀況.隨機觀察120條根段，采用十字交叉法計算根系菌根侵染率[20].在阿特拉津的降解試驗期間，每7 d各質量濃度下的3株植物分別取部分根系，測定取樣時間下各質量濃度的平均根系侵染率.

1.3.2 植物生長指標的測定

株高，采用刻度軟尺測量.根長，采用刻度軟尺測量.生物量，將美人蕉分為地上和地下兩部分，分別取部分樣品放入電熱恒溫鼓風干燥箱內，105 ℃殺青5 min后，于70 ℃烘干24 h至恒質量，通過含水率的計算得到地上和地下部分生物量.

1.3.3 菌根效應的計算

菌根效應通過菌根依賴性指數(relative mycorrhizal dependency index,IMD)計算，菌根依賴性指數計算公式[21]為

IMD(%) = (XAMF-Xnon-AMF)/XAMF×100.

式中：XAMF為菌根植物的生長指標，包括株高、根長和生物量；Xnon-AMF為對照組植物的生長指標，包括株高、根長和生物量.

1.3.4 水中阿特拉津質量濃度的測定

從盆中取得含有阿特拉津的水樣，經0.22 μm過濾后，采用高效液相色譜進行阿特拉津質量濃度測定[22].液相色譜測定的條件為：流動相為乙腈/水(體積比為6∶4)，流速1.0 mL·min-1，檢測波長為紫外220 nm, 采用C18-BDS 色譜柱(5 μm, 25×0.46 cm)，柱溫30 ℃.

1.3.5 水中阿特拉津殘留量的擬合方法

本試驗中水中阿特拉津的動態(tài)降解符合一級化學反應動力學方程式lnρ=-Kt+lnρ0，其變形公式為ρ=ρ0e-Kt.將此公式應用于實驗結果可得

ρ= k0ρ0e-Kt.

式中：ρ0為阿特拉津的初始質量濃度；ρ為施藥后間隔t時間的阿特拉津殘留量；K為消解速率常數；k0為初始質量濃度修正系數；t為施加阿特拉津后的天數.根據試驗中植物對阿特拉津的降解特性，在進行方程式擬合時，低質量濃度情況下(0.1，0.5，1，3 mg·L-1)，t的范圍為7～35 d；高質量濃度情況下(5，10，15 mg·L-1)，t的范圍為14～35 d.

1.4 數據統(tǒng)計分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件處理實驗數據，Duncan單因素方差分析比較各處理之間的差異顯著性(p<0.05為差異顯著；p<0.01為差異極顯著).

2 結果與討論

2.1 AMF對美人蕉根系的侵染

叢枝菌根真菌與植物建立的共生關系的程度可以通過AMF侵染率的高低來評價.在接種菌劑30 d后，植物根系的菌根侵染達到穩(wěn)定期.分別測定了對照組和菌根組的美人蕉根系菌根侵染率，由于對所用培養(yǎng)基質蛭石進行了滅菌處理，對照組沒有菌根檢出，而菌根組的菌根侵染率為(22.1±4.6)%.在進行阿特拉津降解期間，測定了菌根組不同取樣時間的各質量濃度平均菌根侵染率，如圖1所示，菌根侵染率在阿特拉津施加下無明顯的變化.結果表明，本試驗中采用的摩西球囊霉菌劑可以與美人蕉根系形成穩(wěn)定的共生關系，并且這種共生關系不受阿特拉津施加的影響.

圖1 施加阿特拉津后的根系菌根侵染率Fig.1 Colonization rates of root after exposure to atrazine

2.2 AMF對阿特拉津脅迫下美人蕉生長指標的影響

阿特拉津作為一種除草劑，危害植物正常的生長，而叢枝菌根真菌具有促進植物生長和提高植物對脅迫環(huán)境適應性的能力，可以緩解阿特拉津對植物的傷害，促進植物的生長.

對不同阿特拉津質量濃度下植物的生長指標進行測定，結果如圖2、3所示.由圖2可以看出，阿特拉津的施加抑制了美人蕉的株高和根長的生長，并且隨著阿特拉津質量濃度的增加，其對株高和根長抑制作用更明顯.接種叢枝菌根真菌緩解了阿特拉津對美人蕉生長的抑制效應，在不同阿特拉津質量濃度下提高了2.8%～32.3%的株高和4%～30.4%的根長，并且在阿特拉津質量濃度大于0.5 mg·L-1時緩解作用顯著(p<0.05).在5 mg·L-1時，與對照組相比，菌根組顯著增加了32.3%的株高和30.4%的根長，說明在阿特拉津質量濃度為5 mg·L-1時，叢枝菌根真菌的作用最明顯.

CK：對照組；FM：菌根組； *：p<0.05；**：p<0.01；ns：p>0.05圖2 美人蕉在不同阿特拉津質量濃度下的株高和根長

Fig.2 Shoot height and root length of Canna after exposure to different concentration of atrazine

由圖3可以看出，施加阿特拉津降低了美人蕉的地上和地下部分生物量，隨著阿特拉津質量濃度的增加，美人蕉的生物量急劇減少.接種叢枝菌根真菌緩解了阿特拉津對美人蕉生物量的抑制作用，顯著緩解了美人蕉生物量的減少.在不同的阿特拉津質量濃度下，與對照組相比，菌根組顯著提高了11.3%～28.2%的地上部分生物量和14.6%～40.1%的地下部分生物量，并且在阿特拉津質量濃度為5 mg·L-1時，菌根組提高了28.2%的地上部分生物量和40.1%的地下部分生物量(p<0.05)，此時叢枝菌根真菌的作用最大.結果表明，叢枝菌根真菌接種對生物量的保護作用與其對株高和根長的保護作用一致.

叢枝菌根真菌對美人蕉各生長指標的影響進一步通過菌根依賴性指數來分析.如圖4所示，各生長指標的菌根效應呈現相同的趨勢，隨著阿特拉津質量濃度的增加，菌根依賴性指數先增加后減少，在阿特拉津質量濃度為5 mg·L-1時，菌根依賴性指數達最大值.在阿特拉津質量濃度較小時，對植物的傷害有限，菌根效應發(fā)揮不到最大程度，隨著阿特拉津對植物損害的增加，菌根效應也相應增加，當阿特拉津質量濃度超過5 mg·L-1，阿特拉津對植物的傷害過于嚴重，而菌根效應也開始下降.結果表明，美人蕉植株的各生長指標均存在較強的菌根效應，并且在阿特拉津質量濃度為5 mg·L-1時，菌根效應達最大值.

CK：對照組；FM：菌根組；*：p<0.05；**：p<0.01；ns：p>0.05圖3 美人蕉在不同阿特拉津質量濃度下的生物量Fig.3 Above- and underground biomass of Canna after exposure to different concentration of atrazine

圖4 菌根組美人蕉各生長指標的菌根依賴性Fig.4 IMDof growth and biomass of Canna after exposure to atrazine

本試驗中叢枝菌根真菌對生物量的影響與Huang等[18]得到的結果有差異，Huang發(fā)現在較低的阿特拉津質量濃度下，接種菌根增加了玉米根部的生物量而降低了玉米莖部的生物量.這種差異的原因很復雜，因為本試驗與其所采用的叢枝菌根真菌、植物的種類和培養(yǎng)條件均不一樣.值得說明的是本試驗采用的黃花美人蕉具有位于地下的塊狀莖，其生物量屬于地下部分生物量.Wu等報道的叢枝菌根真菌接種可以顯著地提高在多環(huán)芳羥污染土壤中生長的玉米的莖、葉和根部的生物量[23]，這與本試驗中美人蕉生物量的菌根效應一致.本試驗結果表明，接種叢枝菌根真菌可以促進美人蕉的生長，緩解阿特拉津對植物的傷害，這對植物修復在阿特拉津降解方面的應用具有重大的意義.

2.3 AMF對美人蕉植物修復阿特拉津的影響

作為一種除草劑，阿特拉津對植物的毒害作用限制了植物修復在水體阿特拉津污染修復方面的應用.從前文可知，接種叢枝菌根真菌提高了美人蕉對阿特拉津的抗性，本部分通過研究美人蕉對阿特拉津的降解效能，分析接種叢枝菌根真菌對美人蕉植物修復水體中阿特拉津的影響.

本試驗考察了不同質量濃度的阿特拉津在植物修復下的殘留量，采用一級化學反應動力學方程擬合降解曲線，得到了降解方程，結果如圖5和表1所示.結果表明，水體中阿特拉津污染的修復采用美人蕉植物修復是一種可行的有效方法.在阿特拉津質量濃度不高于3 mg·L-1時，美人蕉植物修復阿特拉津效果穩(wěn)定，阿特拉津的半衰期在12 d左右，但是當阿特拉津質量濃度高于3 mg·L-1時，阿特拉津的半衰期開始延長.然而在不同的阿特拉津質量濃度下，菌根組的降解速率均不同程度地大于對照組，半衰期均低于對照組.其中對照組在1 mg·L-1的質量濃度下，降解速率得最大值，而菌根組在3 mg·L-1的質量濃度下，降解速率得最大值.對照組在阿特拉津質量濃度超過3 mg·L-1時，半衰期開始大幅度延長，而菌根組在叢枝菌根真菌的作用下，半衰期增幅較小，大體上趨于穩(wěn)定.結果表明，接種叢枝菌根真菌促進了植物對水體中阿特拉津的降解，縮短了水體中阿特拉津的半衰期.

表1 不同質量濃度的阿特拉津殘留量隨時間變化的擬合Tab.1 Fitting equation of changes over time in residue of different concentration of atrazine

Wang等在阿特拉津對3種水生植物生長和生理影響的研究中考察了3種水生植物菖蒲(A.calamus)、千屈菜(L.salicaria)和水蔥(S.tabernaemontani)對阿特拉津的降解效率[24]，與本研究采用的阿特拉津溶液總體積均為5 L，采用的共同阿特拉津質量濃度為1 mg·L-1，在此質量濃度下，菖蒲、千屈菜和水蔥對阿特拉津的降解速率均低于0.1 d-1，本試驗中對照組美人蕉對阿特拉津的降解速率為0.231 d-1.兩個研究的差異在于Wang等的研究中每5 L阿特拉津溶液中放置5棵株高15～20 cm的植物，而本研究中每5 L阿特拉津溶液中放置3棵美人蕉，施加阿特拉津時美人蕉的株高為20～25 cm，采用的植株略大，但是采用的植物數量少，兩個研究中的阿特拉津降解速率具有可比性.結果表明，美人蕉對阿特拉津的降解速率高于菖蒲、千屈菜和水蔥，美人蕉是植物修復水體中阿特拉津的理想選擇.

在本研究中，接種叢枝菌根真菌提高了美人蕉植物修復阿特拉津的效率，降低了阿特拉津的半衰期.Wang等[25]在研究辛硫磷在胡蘿卜、蔥和土壤中殘留量時發(fā)現，叢枝菌根真菌可以降低辛硫磷在土壤中的殘留量，促進辛硫磷的降解.馬放等[26]發(fā)現叢枝菌根真菌可以降低農藥三環(huán)唑在土壤中的殘留量，這與本試驗的結果一致，表明叢枝菌根真菌的接種可以促進植物對有機污染物的消解和去除.叢枝菌根真菌在阿特拉津植物修復中的作用對于利用植物修復高濃度、高毒性的有機污染物具有重大意義，但其作用機理還需要進一步的研究.

圖5 不同質量濃度阿特拉津的殘留量隨時間的變化Fig.5 Changes over time in residue of different concentration of atrazine

3 結 論

1)在接種叢枝菌根真菌30 d后，美人蕉根系的菌根侵染率達(22.1±4.6)%，進行阿特拉津施加期間，美人蕉根系的菌根侵染率無明顯變化.表明本試驗中采用的摩西球囊霉菌劑可以與美人蕉根系形成穩(wěn)定的共生關系，并且這種共生關系對阿特拉津的污染具有一定的抗性.

2)叢枝菌根真菌緩解了阿特拉津對美人蕉生長的抑制作用，提高了在阿特拉津脅迫下美人蕉的株高、根長和生物量.表明在阿特拉津脅迫下美人蕉植株的各生長指標均存在較強的菌根效應，并且在在阿特拉津質量濃度為5 mg·L-1時，菌根效應達最大值.

3)在低質量濃度(≤3 mg·L-1)阿特拉津污染的情況下，美人蕉是一種高效的植物修復水生植物，接種叢枝菌根真菌可以顯著地提高美人蕉對阿特拉津的降解速率，并且提高了美人蕉植物修復阿特拉津的質量濃度范圍.表明接種叢枝菌根真菌的美人蕉是植物修復阿特拉津水體污染的理想選擇.

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Effects of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on the phytoremediation of herbicide byCannaindicaL. varflavaRoxb. in water

DONG Jing1,2, WANG Li1,2, MA Fang1,2, QI Shanshan1,2, ZHANG Xue1,2, ZHAO Ting1,2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment (Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China;2.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Atrazine residue in water poses a serious threat to the environment and human health. Phytoremediation stood out as a potential technology forin-situremediation of atrazine in the environment. A pot culture experiment was conducted to investigate the effects of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on the phytoremediation of atrazine byCannaindicaL. var.flavaRoxb. The results demonstrated that arbuscular mycorrhizal fungi formed a stable symbiosis with canna a month after its inoculation, and the root colonization rate was (22.1±4.6)%. Arbuscular mycorrhizal fungi relieved the inhibition effect of atrazine on canna growth, and improved the plant height, root length and biomass of canna under the stress of atrazine; mycorrhizal dependency on the growth of canna was significant, and achieved the maximum value at 5 mg·L-1concentration of atrazine. Inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi significantly increased the canna phytoremediation degradation rate of atrazine, and reduced the half-life of atrazine; furthermore, inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi improved the atrazine concentration range of canna phytoremediation. This study shows that canna inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi is an ideal choice of atrazine pollution remediation, and may ultimately serve as a viable phytoremediation solution forinsituremediation of atrazine in water.

atrazine; phytoremediation; arbuscular mycorrhizal fungi; canna; degradation rate

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.007

2016-06-22

水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07201003)；國家自然科學基金(31570505)；城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)自主課題(2014TS05)

董 靜(1987—)女，博士研究生; 王 立(1978—)女，副教授，博士生導師; 馬 放(1963—)男，教授，博士生導師

王 立，wli@hit.edu.cn，wanglihit@hotmail.com; 馬 放，mafang@hit.edu.cn

X592

A

0367-6234(2017)02-0037-07