硒對砷污染土壤中叢枝菌根真菌生長的影響

胡 良，劉 瑜，鐘智遙，樊后保，熊潤國，胡 卓，王香蓮，高桂青

(1.南昌工程學(xué)院 江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點實驗室，江西 南昌 330099；2.江西生物科技職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330200)

土壤微生物的數(shù)量、種群及活動強(qiáng)度會隨著土壤質(zhì)量和環(huán)境的改變而發(fā)生變化，微生物的數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)情況是判別土壤質(zhì)量和肥力大小的重要方式之一。土壤生態(tài)系統(tǒng)中的微生物按其形態(tài)特征主要分為放線菌(Actinomycetes)、真菌(Fungi)、細(xì)菌(Bacteria)三大類群。叢枝菌根真菌(AMF)是在自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在的一類專性共生土壤微生物，能夠與80%左右的陸地植物建立共生關(guān)系[1]。AMF具有重要的生態(tài)學(xué)功能，比如，可緩解氣候變化對農(nóng)作物的不利影響，改善土壤結(jié)構(gòu)和減少土壤養(yǎng)分流失，可通過清除環(huán)境中的重金屬與放射性核素和增強(qiáng)植物的抗逆性來提高植物的生產(chǎn)力[2]。重金屬污染物或外源物質(zhì)(如砷、硒)進(jìn)入土壤和植物后，會和微生物一起參與相關(guān)的生物化學(xué)作用，引起土壤酶活性的變化，改變土壤微生物量和群落，激起植物體內(nèi)抗氧化酶的改變，從而改變土壤的環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)作物的生長及其產(chǎn)量[3]。

AMF可影響植物對硒的吸收，根據(jù)菌根種類、植物以及施硒的種類不同而各有差別。比如AMF能顯著提高大蒜中的硒含量[4]，接種Gm可有利于丹參對硒的吸收，接種Ge則抑制硒的吸收[5]。接種GC可顯著提高玉米中的硒含量，接種Gm則抑制玉米對硒的吸收[6]。研究表明，叢枝菌根真菌可應(yīng)用于砷污染土壤的修復(fù)，表現(xiàn)為改變土壤的pH值，影響土壤磷酸酶活性，改變土壤砷的生物有效性，從而影響植物和土壤中砷的累積和賦存形態(tài)。土壤被砷污染后，AMF的生長、侵染以及多樣性都會受到影響，且AMF也會改變土壤中砷的形態(tài)和轉(zhuǎn)化，影響植物對砷的吸收[7]。前期的研究多集中于接種AMF對植物和土壤中砷或硒含量的改變及其作用，而缺乏硒對砷污染土壤中AMF生長的影響研究，因此本文開展無機(jī)硒和有機(jī)硒對砷污染土壤中AMF生長的調(diào)控和差異比較研究，以此為砷、硒與AMF的相互作用以及為農(nóng)業(yè)砷污染土壤防治提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自南昌市東郊菜地0 ～20 cm層深，風(fēng)干后過2 mm篩，土壤的理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)含量和pH值分別為16.22(g·kg-1)和4.9。砷和硒的含量分別為11.32(mg·kg-1)，0.53(mg·kg-1)。堿解氮、速效磷和效鉀的含量分別為137.83(mg·kg-1)、 5.61(mg·kg-1)和67.32(mg·kg-1)。

1.2 土壤培養(yǎng)試驗

土壤培養(yǎng)試驗在溫室內(nèi)開展，盆子大小為：口徑21 cm × 高18 cm，每個盆子稱取土壤質(zhì)量為3.0 kg。采用人工添加亞砷酸鈉As(III)模擬砷污染土壤，添加的砷濃度為0(mg As kg-1)(0As)，10(mg As kg-1)(10As)，30(mg As kg-1)(30As)。再分別添加無機(jī)硒(Se(IV)和Se(VI))，有機(jī)硒(酵母硒(Se-Y)和麥芽硒(Se-M))。添加各種硒的濃度(以Se計)分別為0(mg Se kg-1)(0Se)、1(mg Se kg-1)(1Se)、3(mg Se kg-1)(3Se)、6(mg Se kg-1)(6Se)、12(mg Se kg-1)(12Se)、24(mg Se kg-1)(24Se)。土壤培養(yǎng)試驗共設(shè)63個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，詳細(xì)試驗處理見表1。

表1 土壤培養(yǎng)試驗設(shè)計

1.3 測定方法

土壤中微生物群落磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid，PLFA)提取和測定方法詳見文獻(xiàn)[8-9]。樣品前處理主要包括磷脂提取、脂肪酸分離、甲基化和清洗等步驟。采用氣相色譜儀(Agilent7890A，色譜柱型號為(19091B-102，MIDI))和磷脂脂肪酸軟件數(shù)據(jù)庫-全自動微生物鑒定系統(tǒng)(Version 4.5，MIDI SHERLOCKS，USA)鑒定并計算樣品中的叢枝菌根真菌含量[9]，本實驗鑒定的叢枝菌根真菌類別為16：1 w5c。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理、制圖和統(tǒng)計采用Excel 2007，Origin 9.0等軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同硒形態(tài)施用對土壤中AMF含量的影響

如圖1(a)所示，當(dāng)施硒含量為12Se時，土壤中AMF的含量達(dá)到峰值。當(dāng)加入Se(IV)的含量小于12Se時，AMF的含量隨著施硒濃度的增多而增大。但是當(dāng)施硒含量超過12Se時，AMF的含量則隨著施硒量的增加而減小。該結(jié)果表明，適量低濃度的硒對土壤中AMF的生長表現(xiàn)為促進(jìn)作用，但是高濃度的硒對土壤中AMF生長則表現(xiàn)為抑制作用。叢枝菌根真菌會影響土壤中磷酸酶活性，也會改變土壤砷的生物有效性，影響植物對砷的吸收[10-11]?？傮w看來，當(dāng)土壤中含有砷時，AMF的含量均會比對照組少。這表明，砷污染土壤會導(dǎo)致土壤中的AMF含量減少，從而影響土壤中的微生物數(shù)量。研究表明，砷污染土壤與土壤中的微生物數(shù)量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)[12]，會改變微生物群落，降低土壤生物的多樣性[13]。

由圖1(b)可知，在Se(VI)處理條件下，土壤中的AMF會隨著硒濃度的改變而改變。當(dāng)施硒濃度為6Se時，AMF的含量達(dá)到峰值，在0As、10As、30As處理組中，峰值分別為0.56(nmol·g-1)、0.5(nmol·g-1)、0.43(nmol·g-1)，由此可見，AMF的含量大小順序為：對照組>10As>30As。這表明，當(dāng)土壤中含有低濃度的砷污染時，土壤中的AMF的含量會隨著砷污染濃度的升高而下降。這是因為在重金屬的脅迫下，AMF能通過自身作用向土壤中釋放一些粘液、聚磷酸鹽和有機(jī)酸等使其與重金屬離子相結(jié)合[11]。同時，叢枝菌根會與土壤中的植物形成菌根共生體，在此情況下會合成某種蛋白與重金屬相螯合[14]，這是叢林根菌對重金屬污染土壤改善的一種直接作用(螯合作用)[11]。而有關(guān)研究表明，AMF在低濃度重金污染下促進(jìn)植物吸收重金屬，在高濃度重金屬污染下會表現(xiàn)出相反的作用[15]。

從圖1(c)中可以看出土壤中的AMF含量會隨著施加的有機(jī)硒濃度的增加而升高，呈現(xiàn)遞增的趨勢。在未添加砷的土壤中，CK、1Se、3Se、6Se、12Se、24Se處理組中AMF的含量分別為0.35(nmol g-1)、0.43(nmol g-1)、0.47(nmol g-1)、0.56(nmol g-1)、0.79(nmol g-1)、0.83(nmol g-1)，其中在硒濃度為24Se時，AMF的含量達(dá)到最大值。10As和30As處理組中的AMF含量均低于無砷處理組，分別是無砷處理組的87%、76%。AMF的含量在24Se時達(dá)到最高值，AMF含量大小順序為：0As(0.83 nmol g-1)>10As(0.72 nmol g-1)>30As(0.63 nmol g-1)。由此可見，AMF的含量會隨著砷污染程度的增加而降低，這表明砷污染對土壤中的AMF有抑制作用，而施硒則會促進(jìn)土壤中AMF的生長。有研究表明，施用有機(jī)硒能夠提高土壤酶的活性，從而促進(jìn)土壤中微生物的活性和物質(zhì)循環(huán)[16]。硒與AMF的相互作用復(fù)雜，AMF可改變硒的吸附、絡(luò)合作用或改變根系分泌物或pH值[17]。

圖1 土壤AMF含量的大小比較

從圖2中可以看出在0As處理中，土壤中的AMF含量隨著施硒濃度的增加整體呈遞增的趨勢，在24Se條件下，AMF的含量達(dá)到最大值(0.59(nmol g-1))。在砷污染土壤中，土壤中的AMF含量顯著下降，但是其AMF的含量隨著施硒濃度的增加，整體上也呈現(xiàn)遞增趨勢，在24Se時達(dá)到最高值分別為0.59(nmol g-1)、0.50(nmol g-1)、0.41(nmol g-1)。上述結(jié)果表明，施硒會促進(jìn)土壤中的AMF的含量，并且隨著施硒濃度的增加而增大。

2.2 不同砷含量污染土壤中AMF含量的分布特征

圖3顯示了無砷污染土壤中的AMF在不同種類和不同濃度的硒處理時的含量大小比較。對照組中AMF的含量為0.35(nmol g-1)，不同種類的硒對土壤中AMF的含量的影響不同，其中Se(IV)和Se(VI)為無機(jī)硒，Se-Y和Se-M為有機(jī)硒，前后者的變化規(guī)律不一樣。在無機(jī)硒處理中，AMF的含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在Se(VI)處理組，土壤中AMF的含量在0～6Se時呈現(xiàn)遞增的趨勢，但是當(dāng)施硒濃度超過6Se時，AMF的含量呈現(xiàn)遞減的趨勢，在6Se時達(dá)到最大值(0.56(nmol g-1))。在Se(IV)組中，AMF的含量在0～12Se時呈現(xiàn)遞增的趨勢，當(dāng)施硒濃度超過12Se時呈現(xiàn)遞減的趨勢，在12Se時達(dá)到最大值。在有機(jī)硒處理中，AMF的含量均呈現(xiàn)遞增的趨勢，都是在24Se時達(dá)到最大值。但是Se-Y的上升趨勢明顯大于Se-M的上升趨勢，說明施加Se-M對土壤中AMF的生長促進(jìn)作用大于Se-Y。

圖2 麥芽硒(Se-M)處理下AMF含量的大小比較 圖3 無砷污染土壤中AMF含量的大小比較

圖4顯示了10As污染土壤中的AMF在不同種類和不同濃度的硒處理時的含量大小比較。從圖4中可以看出，在無機(jī)硒處理組中，Se(VI)處理的AMF含量大于Se(IV)處理組。當(dāng)施硒的濃度為0～6Se時，AMF的含量呈現(xiàn)遞增的趨勢；當(dāng)施硒濃度大于6Se時，土壤中AMF的含量呈現(xiàn)遞減的趨勢；當(dāng)施硒濃度為6Se時，AMF含量達(dá)到峰值。在有機(jī)硒處理中，土壤中AMF的含量都是隨著施硒濃度的增加而增大，并且Se-Y處理組的AMF的含量始終比Se-M處理組高。

圖5顯示了30As污染土壤中的AMF在不同種類和不同濃度的硒處理時的含量大小比較。從圖5中可以得出，在無機(jī)硒處理組中，施硒濃度在0～6Se時AMF的含量呈遞增的趨勢；當(dāng)施硒濃度超過6Se時，AMF的含量呈遞減的趨勢；在6Se時AMF的含量達(dá)到最大值。在有機(jī)硒處理組中，AMF的含量隨著施硒濃度的增加而遞增，在12Se時達(dá)到最大值。在0～6Se時，有機(jī)硒和無機(jī)硒的AMF含量差異不明顯。當(dāng)施硒的濃度小于6Se時，無機(jī)硒處理的AMF平均含量大于有機(jī)硒處理組的AMF平均含量，但是當(dāng)硒濃度大于6Se時，有機(jī)硒處理組的AMF的平均含量大于無機(jī)硒處理組的AMF平均含量。

圖4 10As污染土壤中AMF含量的大小比較 圖5 30As污染土壤中AMF含量的大小比較

由以上結(jié)果可知，當(dāng)施加Se(IV)和Se(VI)處理時，土壤中的AMF的含量均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，而當(dāng)施加Se-Y和Se-M時，土壤中AMF的含量均呈現(xiàn)遞增的趨勢。這表明，有機(jī)硒比無機(jī)硒更適合促進(jìn)土壤微生物的生長。在無砷污染的土壤中AMF的含量總是大于砷污染土壤中AMF的含量，隨著砷污染程度的增加，土壤中的AMF含量逐漸下降。這表明硒和砷對土壤中的微生物的生長具有重要的影響。研究表明，微生物可影響砷的代謝，通過吸附固定、甲基化、氧化還原等作用來影響土壤中砷的有效性，達(dá)到砷污染防控的作用[18-19]。在污染物的影響下，植物—微生物—土壤系統(tǒng)中酶活性的變化對預(yù)測土壤—植物—微生物的相互作用，調(diào)控金屬和養(yǎng)分的吸收，最終改善土壤健康和肥力具有重要意義[9]。相關(guān)研究表明，低濃度的無機(jī)硒對土壤中過氧化氫酶、脫氫酶、脲酶和堿性磷酸酶均有不同的激活作用，而高濃度硒對土壤中的4種酶則具有抑制作用[20]。在土壤中添加適量低濃度硒時，土壤中的AMF的含量逐漸增加；當(dāng)施硒含量超過一定濃度時，土壤中的AMF含量則隨著施硒濃度的增加而下降。這可能是因為，AMF通過直接與砷、硒作用，AMF可吸附砷和硒或形成“區(qū)室化”，從而影響其在土壤和植物中的遷移和轉(zhuǎn)化[7，21]。

3 結(jié)論和展望

適量施硒可促進(jìn)土壤中AMF的生長，AMF含量隨著施硒濃度的增加而增大，當(dāng)土壤中含有低濃度的砷污染時，土壤中的AMF的含量會隨著砷污染濃度的升高而下降。有機(jī)硒比無機(jī)硒更有利于促進(jìn)土壤中AMF的生長，使用相同劑量的有機(jī)硒比無機(jī)硒對土壤AMF含量的影響更大。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對于砷污染的土壤，通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)硒可以有效地增加土壤中的AMF真菌含量，提高農(nóng)作物的抗逆性。