鉛脅迫下添加硫?qū)π』辖嫱寥牢⑸飻?shù)量及植株鉛累積特性的影響

李 青，趙秋利，郭 佩，王吉秀

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2.廣電計(jì)量監(jiān)測(cè)(西安)股份有限公司, 陜西 西安 710100; 3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué),云南 昆明 650100)

土壤重金屬污染已經(jīng)成為制約土地發(fā)展的重要因素之一，也成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的不可回避的重大問題[1]。工業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了采礦業(yè)的迅速發(fā)展，而由于采礦而帶來的污染是不容忽視的。采礦企業(yè)的增多，影響了礦山周邊的自然環(huán)境，植被破壞、土壤污染，周邊農(nóng)戶在重金屬污染的土壤上繼續(xù)種植生產(chǎn)，從而影響了其自身的身體健康。礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境已不允許承載更大的污染，更多的人們意識(shí)到了采礦帶來的環(huán)境污染以及環(huán)境保護(hù)的重要性[2]。

我國(guó)主要的鉛消費(fèi)領(lǐng)域有很多，但是在消耗的過程中，鉛被回收再利用的百分比僅僅只有25%[3]。鉛通過三廢等形式排放至環(huán)境中，導(dǎo)致了大面積的環(huán)境鉛污染[4～7]。

鉛在土壤中會(huì)影響植物的光合作用[8～9]、呼吸作用、細(xì)胞代謝[10]、產(chǎn)量及質(zhì)量[11]。近年來，通過土壤-作物或土壤-動(dòng)物系統(tǒng)進(jìn)入食物鏈引起的Pb中毒比率呈逐年上升趨勢(shì)[12]。因此，土壤質(zhì)量的好壞決定著糧食是否安全[13]。

通過對(duì)云南省會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)的植物及土壤進(jìn)行采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)小花南芥是重金屬Pb、Zn、Cd的超富集植物[14]。而硫作為植物所需的中量元素之一，它雖不是植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)性組成元素，但它卻可以發(fā)揮極其重要的作用[15]。微生物因直接參與土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，具有維持動(dòng)植物生長(zhǎng)和凈化環(huán)境污染等生態(tài)系統(tǒng)功能，因此，土壤微生物反映著土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[16]。本文通過對(duì)鉛脅迫下，外源添加硫?qū)π』辖娴耐寥牢⑸飻?shù)量及植株鉛累積特性的研究，探索在外援添加硫元素與鉛脅迫下是否會(huì)產(chǎn)生對(duì)土壤微生物數(shù)量及植株鉛累積特性的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

小花南芥幼苗采自云南省會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)，采樣區(qū)位于東經(jīng)103°03′～103°55′，北緯25°48′～26°28′，海拔2 263-2 516 m。2018年10月在會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)采集小花南芥幼苗，采回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽到培養(yǎng)基質(zhì)中，進(jìn)行溫室盆栽試驗(yàn)。每盆(D=25 cm)裝3 kg土壤，種植7株植物?；|(zhì)土壤采自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山農(nóng)場(chǎng)玉米土，土壤自然風(fēng)干后通過2 mm篩子，土樣的基本理化性質(zhì)見表1。設(shè)置Pb2+脅迫濃度時(shí)參照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-2018)和前期小花南芥Pb的累積特征，分別用0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg、800 mg/kg和1 600 mg/kg的Pb2+(采用分析純?cè)噭㏄b(CH3COO)2配置)。設(shè)置S素水平時(shí)參照前期硫素對(duì)小花南芥累積鉛鋅的影響，分別用0 mg/kg、50 mg/kg和100 mg/kg的S(采用分析純?cè)噭㎞a2SO4配置)。見表2。試劑用蒸餾水溶解后均勻拌在土壤中，然后裝在塑料盆平衡30 d。試驗(yàn)共15個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)45盆，隨機(jī)排列。培養(yǎng)期間進(jìn)行常規(guī)的澆水管理。培養(yǎng)60 d收集制樣。

表1 盆栽土壤本底理化性質(zhì)

表2 不同濃度Pb脅迫下，施加S素介導(dǎo)調(diào)控試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案 (mg/kg)

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 土樣的采集 采集非根際土用不銹鋼鐵鍬采集土壤裝入布袋，樣品常溫保存。

1.3.2 土壤pH的測(cè)定 稱取10g風(fēng)干土樣，用雷磁pH計(jì)測(cè)定，每個(gè)土樣測(cè)定3次，取其中平均值作為土壤pH值。

1.3.3 土壤中Pb、S測(cè)定 稱取0.1g風(fēng)干土樣，通過1 mm篩孔于聚四氟乙烯坩堝中，加入10 mL HNO3，蓋上蓋子用110℃加熱30 min，加入8 mL HF 1.5 mL HClO4加熱1.5 h，升溫至200℃加熱1 h，取下坩堝蓋加熱1.5 h，升溫至380℃，待HClO4冒盡，加入3ml HNO3(1+1)溶解鹽類至溶解清亮，取下冷卻，加入30 mL蒸餾水。

用火焰原子吸收分光光度計(jì)(北京，普析通用TAS-990原子吸收)測(cè)定Pb含量，用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀ICAP 6300測(cè)定S含量。

1.3.4 小花南芥根際土壤微生物培養(yǎng)基制備 細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基。真菌采用馬丁氏—孟加拉紅氯霉素培養(yǎng)基。放線菌采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基。

1.3.5 土壤微生物培養(yǎng) 倒置培養(yǎng)基在恒溫培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)溫度為28～30℃，細(xì)菌培養(yǎng)2～3 d，真菌培養(yǎng)3～5 d，放線菌培養(yǎng)5～7 d。

涂布法結(jié)果計(jì)算：

單位CFU/g

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

使用SPSS20.0、Origin 9.0，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)分析和圖形繪制。圖表中的所有數(shù)據(jù)用3個(gè)重復(fù)的平均值土標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用SPSS20.0進(jìn)行單因素方差分析(P <0.05)和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤pH的影響

由圖1可知，小花南芥土壤pH呈現(xiàn)出隨鉛脅迫的增加先增大后減小以及隨硫濃度的增加逐漸減小的趨勢(shì)，但不同處理間無顯著差異，在400 mg/kgPb脅迫，50 mg/kgS添加下，pH達(dá)到最大值6.87。經(jīng)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫和S處理都對(duì)土壤pH有極顯著影響，二者之間的交互作用對(duì)土壤pH有極顯著影響。

圖1 不同濃度硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤pH的影響注：不同字母表示處理間差異顯著

2.2 硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤中S和Pb含量的影響

由圖2(a)可知，隨著鉛脅迫的增大，小花南芥土壤S含量先增大后減小；隨著硫濃度的增大，小花南芥土壤S含量逐漸增大。其中，在0 mg/kgPb脅迫時(shí)，100 mg/kg S添加下，土壤硫含量最高，達(dá)5.87 mg/kg。經(jīng)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，S處理和Pb處理都對(duì)土壤S含量有極顯著影響，二者之間的交互作用對(duì)土壤S含量有極顯著影響。

由圖2(b)可知，不同鉛脅迫、硫處理下小花南芥土壤中的鉛含量顯著高于對(duì)照(P<0.05)，隨著鉛脅迫的增大，小花南芥土壤Pb含量逐漸增大；隨著硫濃度的增大，小花南芥土壤Pb含量逐漸減小。其中，在1 600 mg/kgPb脅迫時(shí)，0 mg/kgS添加下，土壤鉛含量最高，達(dá)2100.22 mg/kg。經(jīng)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫和S處理都對(duì)土壤Pb含量有極顯著影響，二者之間的交互作用對(duì)土壤Pb含量有極顯著影響。

總的來說，在土壤中添加硫使得土壤中的Pb含量增加，從而影響了小花南芥對(duì)鉛的累積。

(a)

(b)

2.3 硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤中細(xì)菌數(shù)量的影響

由圖3表明，在0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，細(xì)菌菌數(shù)增加；在0 mg/kg、50 mg/kg S處理下，隨著鉛脅迫的增加，細(xì)菌菌數(shù)減少。經(jīng)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫和S處理都對(duì)土壤中細(xì)菌數(shù)量無顯著影響，二者之間無交互作用?？偟膩碚f，在低硫處理下，土壤中的細(xì)菌數(shù)量隨鉛脅迫逐漸減少，高硫處理使得土壤中細(xì)菌數(shù)量增大。

圖3 不同濃度硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤中細(xì)菌的影響

2.4 硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤中的真菌數(shù)量影響

由圖4表明，在200 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，真菌菌數(shù)增加；在0 mg/kg、400 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，真菌菌數(shù)先增加后減少；而在800 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，真菌菌數(shù)先減少后增加。經(jīng)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫和S處理都對(duì)土壤中真菌數(shù)量無顯著影響，二者之間無交互作用?？偟膩碚f，在鉛脅迫與硫處理下，真菌數(shù)量的變化沒有找到相應(yīng)規(guī)律。

2.5 硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤中放線菌數(shù)量的影響

由圖5可知，在0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg Pb處理下，隨著硫濃度的增加，放線菌菌數(shù)增加；在0 mg/kg、50 mg/kg S處理下，隨著鉛濃度的增加，放線菌菌數(shù)減少。經(jīng)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫和S處理都對(duì)土壤中放線菌數(shù)量無顯著影響，二者之間無交互作用?？偟膩碚f，硫處理使得放線菌數(shù)量逐漸增加。

圖5 不同濃度硫鉛處理對(duì)小花南芥土壤中放線菌的影響

2.6 硫鉛處理下小花南芥根際土壤中微生物數(shù)量與pH值的相關(guān)分析

由表3可以看出，不同濃度硫鉛處理下小花南芥根際土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量都與pH無顯著關(guān)系；細(xì)菌與真菌和放線菌呈顯著相關(guān)(P<0.01)，真菌與放線菌呈顯著相關(guān)(P<0.01)。

表3 不同濃度硫鉛處理下小花南芥根際土壤中微生物數(shù)量與PH值的相關(guān)性分析

2.7 硫鉛處理對(duì)小花南芥體內(nèi)鉛含量的影響

由圖6可知，不同鉛脅迫、硫處理下小花南芥地上部和地下部分鉛含量顯著高于對(duì)照(P<0.05)。在相同鉛脅迫下，隨著硫濃度的增高，小花南芥地上和地下部分Pb含量隨著硫濃度的增加逐漸增加；在相同的硫處理下，小花南芥地上和地下部分Pb含量隨著硫濃度的增加逐漸增加。其中，小花南芥地上部在1 600 mg/kg Pb處理時(shí)，100 mg/kg S添加下，鉛含量達(dá)2 524.01 mg/kg，是0和50 mg/kg S添加的1.55和1.15倍；地下部分在800 mg/kg Pb處理時(shí)，100 mg/kg S添加下，鉛含量達(dá)1 672.94 mg/kg，是0和50 mg/kg S添加的2.38和1.22倍，表現(xiàn)出較強(qiáng)的Pb富集能力。經(jīng)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，Pb脅迫和S處理都對(duì)地上部Pb含量和根系Pb含量有極顯著影響，二者之間交互作用對(duì)地上部Pb含量和根系Pb含量有極顯著影響?？偟膩碚f，外源添加硫促進(jìn)了小花南芥地上部和地下部對(duì)Pb的吸收。

圖6 不同濃度硫鉛處理對(duì)小花南芥體內(nèi)鉛含量的影響

2.8 硫鉛處理對(duì)小花南芥植株鉛累積特性的影響

由表4可知，不同鉛脅迫、硫處理下，小花南芥富集系數(shù)在相同硫添加下，隨著鉛脅迫的增加而減小，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)基本隨鉛濃度的增加而增加。富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)最高分別可達(dá)4.04、1.73和9.84。說明硫元素的加入對(duì)小花南芥累積鉛有促進(jìn)作用。

表4 不同濃度硫鉛處理對(duì)小花南芥吸收累積鉛的特征

3 討論

重金屬在土壤中的不可生物降解的特性，會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生持久性的傷害。它降低了土壤微生物的活性、微生物的酶活性、土壤微生物的DNA豐富度，也影響土壤微生物的DNA序列[17]。其中，土壤微生物對(duì)重金屬非常敏感，可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能的紊亂、蛋白質(zhì)變性或細(xì)胞膜完整性的破壞[17]。重金屬也可能導(dǎo)致根褐變、壞死、黃化、葉片卷曲等植物損傷，其毒性還會(huì)抑制植物細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)酶，因氧化應(yīng)激而導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損，從而影響植物的生長(zhǎng)和代謝[18]。

植物修復(fù)技術(shù)與其它重金屬修復(fù)技術(shù)相比而言，因其經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)從其它修復(fù)技術(shù)中脫穎而出，成為當(dāng)今重金屬修復(fù)的不可或缺的重要修復(fù)手段。所以如何強(qiáng)化其修復(fù)效果，拓寬超富集植物的生態(tài)適應(yīng)性需要更深入研究。對(duì)超富集植物超量富集重金屬研究發(fā)現(xiàn)，超富集植物耐重金屬的主要原因在于它的根系細(xì)胞吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的蛋白差異。而硫作為植物所需的中量元素之一，它雖不是植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)性組成元素，但它卻可以發(fā)揮極其重要的作用[19]。硫素是氨基酸的組成成分和蛋白質(zhì)合成的必須元素，有助于酶和維生素的形成。同時(shí)，硫素還會(huì)參與植物光合作用，是葉綠素合成所必需元素之一[20]。

筆者研究發(fā)現(xiàn)，硫的添加會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，pH值從6.87下降到6.17，從而影響植物對(duì)重金屬的吸收。在鉛脅迫下，外源添加硫?qū)ν寥乐形⑸锛?xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量無顯著影響，但顯著增加了小花南芥地上部與地下部對(duì)于土壤中鉛的吸收。不同鉛脅迫、硫處理下，小花南芥富集系數(shù)在相同硫添加下，隨著鉛脅迫的增加而減小，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)基本隨鉛濃度的增加而增加。富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)最高分別可達(dá)4.04、1.73和9.84。說明硫元素的加入對(duì)小花南芥累積鉛有促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

Pb2+脅迫濃度0、200、400、800和1600 mg/kg(采用分析純?cè)噭㏄b(CH3COO)2配置)以及S濃度0、50和100 mg/kg(采用分析純?cè)噭㎞a2SO4配置)條件下進(jìn)行種植野生小花南芥盆栽試驗(yàn)：

(1)外源添加硫可使土壤的pH值降低到6.17。

(2)硫處理使得土壤中的鉛含量逐漸減少，在本實(shí)驗(yàn)中硫的添加量未達(dá)到極限值，后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

(3)硫處理增加了土壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，而真菌數(shù)量變化沒有找到規(guī)律。細(xì)菌、真菌和放線菌與鉛脅迫和硫處理無顯著影響。

(4)硫處理促進(jìn)了小花南芥地上部與地下部對(duì)鉛的累積，增強(qiáng)了小花南芥對(duì)Pb2+脅迫的耐性。

總而言之，鉛脅迫下，外源添加硫促進(jìn)了小花南芥對(duì)于土壤中鉛的吸收，但對(duì)于土壤微生物數(shù)量的變化并不明顯。