土壤微生物對(duì)根際鎘活化的影響研究

孫銘澤，于昕桐，廉梅花

土壤微生物對(duì)根際鎘活化的影響研究

孫銘澤，于昕桐，廉梅花*

（沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

以鎘（Cd）為研究對(duì)象，探討滅菌與非滅菌不同條件下根際土壤微生物的差異對(duì)Cd活化及形態(tài)分布的影響。結(jié)果表明：非滅菌處理下植物根際土壤中微生物量碳和氮、微生物PLFA總量均顯著增加，且溶解性Cd的含量相比滅菌時(shí)高。土壤溶液中Cd主要以有機(jī)絡(luò)合態(tài)為主，研究結(jié)果可為Cd污染土壤的植物修復(fù)及調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

土壤污染；鎘；植物修復(fù)；微生物；滅菌

2014年“全國土壤污染調(diào)查公報(bào)”顯示我國土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，無機(jī)污染物中尤以重金屬為主，其中Cd污染最嚴(yán)重[1]。重金屬進(jìn)入土壤后會(huì)影響植物生長并對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，因此迫切須要開展污染土壤的修復(fù)工作。植物修復(fù)因其對(duì)土壤環(huán)境擾動(dòng)小和成本低等優(yōu)勢逐漸成為修復(fù)重金屬的有效途徑[2]。利用超積累植物修復(fù)土壤重金屬污染受土壤pH、氧化還原電位、溶解性有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)、土著微生物和植物類型等因素影響，各因素的調(diào)控作用需要深入研究。

微生物在根際環(huán)境中發(fā)揮不可替代的作用[3]，植物根系活動(dòng)向根際土壤中釋放的根系分泌物可以為微生物提供營養(yǎng)和能量，而微生物在根際環(huán)境中的數(shù)量與種群也常常高于非根際[4]。根際土壤中重金屬的活性改變與微生物和根系分泌物在根際環(huán)境中的變化息息相關(guān)，但目前活化相關(guān)機(jī)制仍有待進(jìn)一步完善。本文擬以重金屬Cd為研究對(duì)象，探討東南景天與垂盆草根際微生物差異對(duì)Cd形態(tài)分布的影響，完善土壤中Cd的活化機(jī)制，研究結(jié)果可為受重金屬污染土壤的修復(fù)調(diào)控提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用土壤采自沈陽市東陵區(qū)沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，土壤pH值為6.72，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù) 21.32 g·kg-1，土壤陽離子交換量17.08 cmol·kg-1，全鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.13 mg·kg-1。供試土壤添加分析純3CdSO4·8H2O制備污染土，使土壤全Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 mg·kg-1，實(shí)驗(yàn)用植物包括兩種，分別為超富集型東南景天和垂盆草。平衡穩(wěn)定后的土壤分別做滅菌與不滅菌處理并晾干裝盆待用。盆栽試驗(yàn)的陽光溫室溫度保持18~25 ℃，土壤含水量保持為田間最大持水量的60%~70%，盆栽試驗(yàn)每盆裝土1 kg并移栽3株植物，每個(gè)處理4次重復(fù)。植物生長90 d后收獲，獲取根際與非根際土壤樣品，并用無菌塑料袋包好，在4 ℃冰箱中保存。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤微生物量碳和氮的測定

采用氯仿熏蒸法對(duì)土壤微生物量碳和氮進(jìn)行測定，主要操作步驟為：在培養(yǎng)皿中稱相當(dāng)于l0 g 干重的土壤，分別在50 mL小燒杯中放NaOH溶液和無乙醇氯仿，一起放入用凡士林密封的干燥器中。利用真空泵抽氣使氯仿至少沸騰2 min，關(guān)閉干燥器的閥門，25 ℃的黑暗環(huán)境下靜置24 h，同時(shí)設(shè)置未熏蒸樣品作為對(duì)照；最后將土樣移至離心管，使用硫酸鉀溶液振蕩并浸提30 min，之后分別用重鉻酸鉀氧化滴定和凱氏定氮法測定可溶性總碳和總氮。微生物量碳和氮分別用公式（1）和（2）計(jì)算：

式中：EC —熏蒸前后提取液中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差，KEC取0.45；

EN —熏蒸后提取液中總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照提取液中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值，KEN取0.54。

1.2.2 微生物磷脂脂肪酸（PLFA）的分析與測試

實(shí)驗(yàn)樣品中PLFA的提取方法參照Frosteg?rd ?等的方法進(jìn)行[5]，采用GC-MS測試系統(tǒng)和Sherlock MIS4.5 系統(tǒng)分別進(jìn)行測試和鑒定，細(xì)菌、真菌和放線菌特征PLFA的指示脂肪酸類別參考文獻(xiàn)進(jìn)行判定[6-7]。

1.2.3 土壤溶液的提取及主要離子測定

利用0.01 mol·L-1的KNO3溶液提取土壤溶液，具體提取方法詳見文獻(xiàn)[8]。土壤溶液中的主要離子K+、Na+、Ca2+、SO42-、NO3-、F-、Cl-、NO2-、PO43-等使用離子色譜儀進(jìn)行測定，石墨爐原子吸收法測定土壤溶液中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)，TOC分析儀測定溶解性有機(jī)碳（DOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 模型計(jì)算與數(shù)據(jù)分析

土壤溶液中Cd的形態(tài)利用Visual MINTEQ3.0 模型計(jì)算，模型輸入?yún)?shù)包括土壤溶液pH值、DOC、Cd和主要離子濃度，其中Cd與溶解性有機(jī)質(zhì)的絡(luò)合形態(tài)由NICA-Donnan模型確定[9]。數(shù)據(jù)采用 SPSS 軟件進(jìn)行處理，Origin 9.0 進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 根際土壤生物量碳和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表1為滅菌與非滅菌條件下土壤微生物量碳和微生物量氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以看出在非滅菌時(shí)微生物量碳和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯較滅菌時(shí)高，這可能與滅菌時(shí)土壤土著微生物細(xì)胞的代謝和功能受到影響、微生物的生存和活性受到抑制相關(guān)。非滅菌時(shí)，東南景天根際土壤微生物量碳和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最高，分別為163.4 mg·kg-1和79.1 mg·kg-1，比垂盆草分別高12.7%和18.2%。兩者在非根際土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異并不顯著，但兩種處理下東南景天和垂盆草的根際土壤微生物量碳和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于非根際。

表1 土壤微生物量碳與氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：表中不同的大寫字母代表同一種植物滅菌或非滅菌處理時(shí)存在顯著性差異，不同小寫字母代表滅菌或非滅菌處理時(shí)根際和非根際間微生物量存在顯著性差異。

微生物是土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力，微生物量碳雖只占土壤總有機(jī)碳的1%~4%，但卻占據(jù)微生物干物質(zhì)的40%~45%，是微生物活性和數(shù)量的主要衡量指標(biāo)之一[9]。作為土壤氮素的重要貯存庫，微生物量氮可以調(diào)節(jié)土壤氮素的循環(huán)進(jìn)程，并且在植物營養(yǎng)中也有重要作用。本研究中土壤微生物量碳和氮在植物根際的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于非根際，表明微生物的存在不僅可調(diào)節(jié)植物的生理生長狀況，另一方面，植物生長過程中根系源源不斷向根際釋放的有機(jī)物會(huì)促進(jìn)微生物的代謝，二者呈現(xiàn)相輔相成的關(guān)系[10]。這與TUOMINEN[11]等的研究結(jié)果一致，該研究對(duì)土壤進(jìn)行滅菌處理后，土壤微生物量明顯降低，但滅菌處理后土壤中微生物的滅活效果只能持續(xù)有限時(shí)間，其后隨著植物的生長以及活性有機(jī)質(zhì)的增加會(huì)促進(jìn)微生物種群逐漸恢復(fù)，植物根系分泌物也為微生物的代謝提供必要的營養(yǎng)支持[12]。

2.2 土壤微生物群落特征

圖1為土壤微生物總量和細(xì)菌、真菌和放線菌的特征PLFA含量，從圖中可以看出，非滅菌條件下東南景天和垂盆草土壤微生物PLFA總量顯著高于滅菌，且在根際土壤中的各特征PLFA含量顯著高于非根際土壤[13]。兩種植物相比，垂盆草的土壤微生物總量及不同特征PLFA含量明顯比東南景天低。

微生物對(duì)不同作物在污染土壤中的生長及抗逆性起重要作用，主要通過影響土壤中重金屬的轉(zhuǎn)化和有機(jī)污染物的分解速度進(jìn)而影響植物的生長與吸收，土壤滅菌處理會(huì)改變土壤的生物環(huán)境，在一定程度反映土壤原著微生物在根際的數(shù)量與組成特征。本研究表明，土壤滅菌處理明顯使根際與非根際土壤中微生物PLFA的含量下降，且根際明顯高于非根際，這與其他研究結(jié)果一致。LI[14]等研究5種植物在野外條件生長時(shí)的根際微生物特征表明，細(xì)菌數(shù)量在5種植物根際土壤中顯著高于非根際。CARRASCO[15]等研究了不同植物在礦區(qū)生長時(shí)根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在較大差異。李庭強(qiáng)[9]等研究發(fā)現(xiàn)超富集東南景天在礦山土壤和重度污染土生長后根際土壤中生物量碳均顯著高于非富集型植物，這可能是因?yàn)閆n被東南景天吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較強(qiáng)，從而緩解了Zn對(duì)微生物的毒害作用。

HE—東南景天；NHE—垂盆草。

2.3 土壤溶液中Cd的形態(tài)分布

土壤溶液中各主要離子濃度及pH值見文獻(xiàn)[13]，土壤溶液中的pH值比非根際低，兩種植物生長的根際土壤溶液中溶解性有機(jī)碳（DOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯比非根際高，這與前期研究結(jié)果一致[8]。滅菌條件下，總?cè)芙庑訡d質(zhì)量分?jǐn)?shù)較非滅菌時(shí)低，其他離子濃度差異不大。不同處理時(shí)兩種植物土壤溶液中Cd的形態(tài)分布見圖2，結(jié)果表明土壤溶液中Cd的形態(tài)分布表現(xiàn)為有機(jī)絡(luò)合態(tài)＞自由離子態(tài)＞無機(jī)絡(luò)合態(tài)。在相同條件下東南景天有機(jī)絡(luò)合態(tài)Cd的比例比垂盆草高。

土壤有機(jī)物可以為其中的異養(yǎng)型微生物代謝提供必要的能量來源，微生物新陳代謝分泌的有機(jī)酸、氨基酸和質(zhì)子會(huì)引起根際土壤pH下降并提高土壤溶解性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16]。本文研究表明，根系活動(dòng)分泌的根系分泌物可為微生物提供足夠營養(yǎng)，非滅菌處理較滅菌時(shí)微生物的活性更強(qiáng)[17]，因此，非滅菌處理更利于土壤溶液中Cd的活化及溶解，其可溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。李庭強(qiáng)[9]研究表明，東南景天根際微生物不僅可分解大分子化合物，還能分泌出質(zhì)子等物質(zhì)，這些物質(zhì)可通過與重金屬的有機(jī)絡(luò)合作用調(diào)節(jié)金屬在土壤中的再分配過程，促進(jìn)根際重金屬的活化。WHITING[18]等指出根際細(xì)菌和真菌產(chǎn)生的H+以及有機(jī)酸物質(zhì)對(duì)金屬的活化具有重要作用，可以提高重金屬的生物有效性。DE SOUZA[19]等通過抗生素的抑制試驗(yàn)認(rèn)為根際細(xì)菌可以影響植物吸收和揮發(fā)硒，并促進(jìn)超富集植物對(duì)Se的揮發(fā)和積累量，二者分別提高35%、70%，接種根際細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了根際微生物的重要作用。

3 結(jié) 論

非滅菌條件下，根際與非根際土壤微生物量碳和氮、微生物PLFA總量均顯著高于滅菌處理，根際土壤溶液pH較非根際土壤低，且東南景天根際土壤溶液中DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于垂盆草。滅菌條件下，總?cè)芙庑訡d質(zhì)量分?jǐn)?shù)較非滅菌時(shí)低，其他離子濃度差異不大。模型計(jì)算結(jié)果表明土壤溶液中Cd 的形態(tài)分布表現(xiàn)為有機(jī)絡(luò)合態(tài)＞自由離子 態(tài)＞無機(jī)絡(luò)合態(tài)。相同條件下東南景天有機(jī)絡(luò)合態(tài)比例較垂盆草高。

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Influence of Soil Microorganisms on the Activation of Cd

,,

（School of Environmental and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China)

Taking cadmium (Cd) as the research object, the effect of the differences in rhizosphere soil microorganisms on the activation and form distribution of Cd under different sterilized and non-sterilized conditions was investigated. Study results showed that the microbial biomass carbon, nitrogen and total microbial PLFA in rhizosphere soil of the two plants under non-sterilization treatment significantly increased. Compared with sterilization, the content of total soluble Cd was higher than that under sterilization. Moreover, the results of model calculation showed that Cd in soil solution mainly existed as organic complex state. Research results can provide scientific basis for phytoremediation and regulation of Cd contaminated soil.

Soil contamination; Cadmium; Phytoremediation; Microorganism; Sterilization

遼寧省教育廳“青年科技人才育苗”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：LG201923）；沈陽理工大學(xué)引進(jìn)高層次人才項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：1050002000616）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：20191044089）。

2020-10-15

孫銘澤（1997-），男，遼寧省沈陽市人，碩士研究生，研究方向：土壤修復(fù)。

廉梅花（1983-），女，講師，博士，研究方向：土壤重金屬遷移轉(zhuǎn)化及修復(fù)技術(shù)。

X131.3

A

1004-0935（2020）12-1455-04