植物与微生物协同修复土壤铅污染修复效应.pdf
1 2 2 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 1 年第3 期 d o i l O .3 9 6 9 ,j .i s s n .1 0 0 7 7 5 4 5 .2 0 2 1 .0 3 .0 1 9 植物与微生物协同修复土壤铅污染修复效应 孙楠1 ’2 ,张胜爽1 ’2 ,张凌云1 ’2 ,王济1 ’2 1 .贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳5 5 0 0 2 5 ; 2 .贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,贵阳5 5 0 0 0 1 摘要通过室内盆栽试验研究外源添加不同浓度P b 处理下黑麦草、黑心菊与拟青霉菌、嗜麦芽窄食单胞 菌联合修复效果。结果表明拟青霉菌、嗜麦芽窄食单胞菌均能促进P b 胁迫下黑心菊和黑麦草的生长, 缓解P b 对植物的毒害,对植株的促生作用有胁迫诱导的特性。当土壤中外源添加P b 浓度为l5 0 0n 珂k g 时,拟青霉菌能显著提高黑心菊的富集系数和转运系数,有效促进植株对P b 的吸收,增加P b 向地上部 分的转移。两种菌株均能够促进黑麦草生长,显著提高黑麦草对P b 的富集能力,将P b 固持在植株根 部,有效抑制P b 向植株地上部迁移,两种菌株同时接种时效果最优。 关键词土壤重金属污染;铅;微生物;植物修复 中图分类号X 5 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 1 0 3 0 1 2 2 一0 7 P l a n t sa n dM i c r o o r g a n i s m sS y n e r g i s t i c a l l yR e m e d i a t eS o i lL e a dP o l l u t i o n S U NN a n l “,Z H A N GS h e n g s h u a n 9 1 ”,Z H A N GL i n g y u n l ”,W A N GJ i l 2 1 .S c h o o Io fG e o g r a p h i ca n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e ,G u i z h o uN o r m a lU n i v e r s i t y ,G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ,C h i n a ; 2 .T h eS t a t eK e yL a b o r a t o r yl n c u b a t i o nB a s ef o rK a r s tM o u n t a i nE c o l o g yE n v i r o n m e n to fG u i z h o uP r o v i n c e ,G u i y a n g5 5 0 0 0 1 ,C h i n a A b s t r a c t I n d o o rp o t t e de x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yc o m b i n e dr e p a i re f f e c t so fR “d 6 P c 愚i 口 i r £n , L o Z i “,聍户P ,.P 行”P ,P 口P c i Z o ,“ y c P ss 户a n dS £P 竹o £,‘o 户 o 优。竹口s ,”口Z £D 户 i Z i 口t r e a t e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s o fP b .T h er e s u l t ss h o wt h a tP 口P c f Z o ,孢y f P ss 户a n dS £P n o £,.o 户 0 7 n o 行n s ,n 口Z £o 户.} l i £i 口 c a np r o m o t eg r o w t ho f R “d 6 P c 愚i na n dL o Z i “,”u n d e rP bs t r e s s , a l l e v i a t et o x i c i t yo fP bt op l a n t s ,a n dh a v ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r e s si n d u c i n gg r o w t h p r o m o t i n ge f f e c to fp l a n t s .W h e nc o n c e n t r a t i o no fe x o g e n o u sa d d e dP bi n s o i li s 15 0 0m g ,k g , P 口P c f Z D m y f P 5s 户c a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s ee n r i c h m e n tc o e f f i c i e n ta n dt r a n s p o r tc o e f f i c i e n to f R “d 6 P c 走i n ,e f f e c t i v e l yp r o m o t ea b s o r p t i o no fP bb yp I a n t s , a n di n c r e a s e t r a n s f e ro fP bt oa b o v e g r o u n d p a r t s .B o t hs t r a i n s c a np r o m o t eg r o w t ho fL o Z i “优, s i g n i f i c a n t l yi m p r o v eP ba c c u m u l a t i o na b i l i t yo f L o Z Z “优,h 0 1 dP bi nr o o to fp l a n t ,a n de f f e c t i v e l yi n h i b i tm i g r a t i o no fP bt ou p p e rp a r to fp l a n t .T h et w o s t r a i n sh a v et h eb e s te f f e c tw h e nt h e ya r es i m u l t a n e o u s l yi n o c u l a t e d . 1 e yw o r d s s o i lh e a V ym e t a lp o l l u t i o n ;l e a d ;m i c r o o r g a n i s m ;p h y t o r e m e d i a t i o n 采矿和过度使用化肥农药等人类活动增加了 土壤中的重金属含量,从而造成日益严峻的污染 问题。土壤是链接植物与营养物质的桥梁,P b 含 量一旦超标就会降低土壤肥力和质量,影响植物 生长,通过食物链富集毒性,对食品安全及人体 健康构成极大威胁。据统计,我国总耕地面积约 收稿日期2 0 2 0 一0 9 2 3 基金项目贵州省科技支撑计划项目 黔科合支撑[ 2 0 1 7 ] 2 5 8 0 ;贵州师范大学博士启动基金项目 1 1 9 0 4 作者简介孙楠 1 9 9 5 一 ,女,陕西延安人,硕士研究生;通信作者张凌云 1 9 6 8 一 ,女,四川泸州人,博士,教授,硕士研究生导师 万方数据 2 0 2 1 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 1 2 3 2 0 %被污染,每年因重金属污染造成的粮食减产 约1 0 0 0 多万吨,经济亏损至少2 0 0 亿元/a ,其中 土壤P b 污染居第六,是污染治理的难点和 重点‘。 植物一微生物联合修复是指两者之间相互协 作,提高植物生物量和重金属耐受性,以达到吸收、 固定重金属,降低重金属在土壤中的浓度,减少其毒 害作用的目的。李霞等[ 2 ] 在重金属污染环境下对翅 荚木 Z P 咒i 口i 以s i g 挖i s 接种摩西球囊霉 G z o 优“s m o s s P 口P 和根内球囊霉 Gi 九£r n r 口d 菇P s ,结果发现 两菌株均增加了翅荚木的生物量和P b 累积量,同 时根内球囊霉促进了根系对P b 的固持。 G I R I D H A R 等[ 3 1 在矿区土壤中接种红假单胞菌 P 卵甜d o ,加撇s 志。陀册s 泌 增加了花叶芒 M i s f 口n 旃“s 5 i 珂P 咒s i s 的生物量,根和茎中P b 含量分别增加了 1 8 %和2 2 %,提高了植株对P b 的转运能力。陈燕玫 等[ 4 1 通过盆栽试验发现接种植物根际促生菌 A n ,l r o 施c 把rs A 有效促进了红麻 H 曲波“s m 以行口良咒“s 的生长及根系对P b 的富集。 利用景观植物进行土壤P b 污染修复,除能够降 低土壤中的P b 含量,还具有一定的经济价值和观赏 价值。宣斌等[ 5 ] 利用盆栽试验发现,当土壤中外源添 加铅浓度为15 0 0m g /k g 时,黑心菊 R “犹忧晟缸 i 以n 和黑麦草 L o z i “m 夕P r e 彻P 根部铅吸收量均超过 10 0 0m g /k g ,富集系数分别为2 .3 2 和1 .7 2 ,转运系 数分别为0 .1 2 和1 .3 0 ,两植物对P b 的富集能力均 较强,且黑心菊表现出较强的转运能力[ 6 ] 。 本研究通过盆栽模拟试验研究在自然土壤中施 加不同浓度的P b 后,对黑麦草和黑心菊接种真菌 和细菌,探索植物一微生物联合修复效果,以期为铅 污染程度不同的土壤修复提供依据。 1 材料与方法 1 .1 供试菌株及菌液制备 选取科研团队从贵州省毕节市赫章县妈姑镇马 圈岩铅锌矿渣堆放点采集长势良好的植物根际土 壤,经25 0 0m g /k g P b 2 胁迫筛选及1 6 S rR N A 鉴 定筛选出的拟青霉菌 P 口P f i Z o 优y f e ss 户,P S 、嗜麦 芽窄食单胞菌 S £P 咒o £r o 户 o 优彻口sm 口z f o 砧i z 施, S M 作为微生物接种材料。 供试菌株分别在马铃薯培养基和牛肉膏蛋白胨 培养基震荡培养2 4h 2 8 ℃ ,直到O D 6 ∞约为O .8 O D 6 。。是指波长为6 0 0n m 时,测定微生物培养液的 吸光光度值,单位以O D 值表示,所得数值在O .6 ~ 0 .8 表示菌株处于旺盛生长的对数生长期 ,于 8o o or /m i n 、4 ℃离心5m i n 收集菌体,无菌去离子 水清洗2 ~3 次得菌悬液,备用,本试验过程中微生 物接种量为1 0m L /k g 。 1 .2 植物材料 黑麦草、黑心菊。 1 .3 供试土壤 供试土壤采自贵阳市花溪区某大棚基地,基本 理化性质及P b 含量见表1 ,自然风干,过2m m 尼 龙筛备用。 表l供试土壤的基本理化性质及总铅含量 T a b l el P h y s i c a - a n dc h e m i c a Ip r O p e r t i e sO fe x p e r i m e n t a Is O i la n dt O t a Il e a dc O n t e n t 1 .4 盆栽试验设计 本试验设计四个外源添加P b 浓度水平,分别为 o 、15 0 0 、20 0 0 、25 0 0m d k g ,以分析纯级P b N 0 3 2 溶液形式加入,混匀。对黑心菊,各梯度均设未接种为 对照、接种P S 、接种S M 。为探索两菌株单接种和双接 种的影响效果,选取生长迅速的黑麦草,增加同时接种 P S 和S M 处理 接种P S S M ,共2 8 个处理,每个处理 设3 个重复。在穴盘中进行播种,待长出两片叶片,选 长势相近的植株移栽,进行盆栽试验管理,控制土壤含 水率保持6 0 %,6 0d 后采集样品并进行测定。 1 .5 样品测定方法 土壤基本理化性质按照文献[ 7 ] 的方法测定。 土壤P b 含量测定按照G B /T1 7 1 4 0 一1 9 9 7 [ 8 ] 。植物 生物量按照文献[ 9 ] 的方法测定。植物体内P b 含 量按文献[ 1 0 ] 的方法测定。 1 .6 数据分析 富集系数一植物体内重金属浓度/土壤重金属 浓度;转移系数一植物地上部分重金属浓度/植物地 下部分重金属浓度。采用E x c e l2 0 1 0 、S p s s2 0 .0 和 R S t u d i o 软件进行数据处理分析及绘制图表。 万方数据 1 2 4 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 1 年第3 期 2结果分析 2 .1 供试土壤相关指标背景值 以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标 准 试行 G B1 5 6 1 8 2 0 1 8 [ 1 妇为参照,分析表1 可知,土壤p H 为6 .2 5 ,P b 全量为1 2 8 .6 9m g /k g , 其浓度值介于土壤风险筛选值与管制值之间。 2 .2 接种微生物对植物干重的影响 黑心菊于重随外源添加P b 浓度的增加而降低 表2 。外源添加P b 浓度为。时,接种P S 、S M 的 黑心菊干重均高于C k , 黑心菊盆栽试验中未接种 微生物对照处理 ,各处理间差异不显著,增幅分别 为1 2 .6 1 %、6 .8 6 %;外源添加P b 浓度为15 0 0 ~ 25 0 0m g /k g 时,接种P S 、S M 的黑心菊干重均显著高 于C k ,,但两菌间无显著差异,增幅分别为5 8 .8 2 %~ 1 0 1 .5 9 %、4 8 .1 3 %~7 3 .0 2 %。 黑麦草干重随外源添加P b 浓度的增加而降低 表2 。外源添加P b 浓度相同时,接种P S 、S M 、P S S M 的植株干重均高于C k 。 黑麦草盆栽试验中未 接种微生物对照处理 ,仅C k 。与P S S M 差异显 著,增幅为1 9 .5 6 %~9 9 .2 5 %,接种P S S M 时干 重最大 2 .6 7 ~4 .9 6g 。 表2 不同处理中植物的干重 T a b l e2 D r yw e i g h to fp l a n t si nd i f f e r e n tt r e a t m e n t s 注同一列不同小写字母表示黑心菊各处理间差异显著 P C k I 。转运系数随外源添加P b 处 理浓度的增加呈波动降低趋势;外源添加P b 浓度为 0 时,接种P s 、S M 的黑心菊转运系数均高于C k l ,且 大于1 ;外源添加P b 浓度为15 0 0m 彰k g 时,C k 。、 P S 、S M 处理中黑心菊的转运系数均大于 1 1 .1 0 ~1 .0 6 ;夕| 源添加P b 浓度为20 0 0 ~25 0 0n d k 时,C k 。、接种P S 、接种S M 的转运系数均小于1 O .3 7 ~0 .5 1 。富集系数和转运系数均在外源添加 P b 浓度为15 0 0m g /k g 时接种P S 最大 2 .5 5 、1 .2 4 。 黑麦草的富集系数随外源添加P b 处理浓度的 增加而减小,所有处理富集系数均大于1 表4 ;各 加P b 处理中,富集系数均表现为P S S M P S S M C k 2 ;外源添加P b 浓度为15 0 0m g /k g 时,接 种P S S M 的富集系数达到最大值 2 .9 6 。转运 系数随外源添加P b 处理浓度的增加呈波动降低趋 势,所有处理中黑麦草转运系数均小于1 0 .1 1 ~ 0 .3 8 ;夕| 源添加P b 浓度相同时,接种P s S M 的转运 系数最大,P S 、S M 的转运系数与C l 砭基本保持一致。 表4 不同处理中两植物的富集系数与转运系数 T a b l e4E n r i c h m e n tc o e m c i 蚰t sa n dt 哺n s p O r t c o e f f i c i e n t so ft w op I a n t si nd i f f e 代n tt r 昀t m 蛳t s 2 .5 接种微生物对植物P b 吸收量、土壤P b 全量 及去除率的影响 黑心菊和黑麦草对P b 的吸收量均随外源添加 P b 处理浓度的增加先增大后减小 表5 。外源添 加P b 浓度为0 时,接种P S 、S M 的黑心菊P b 吸收 量显著高于C k ,,各处理间差异显著;接种S M 的黑 麦草P b 吸收量显著高于P S S M 、P S 、C k 2 ,但P S S M 、P S 、C k 2 间无显著差异;未接种、接种P S 时,黑心 菊P b 吸收量显著高于黑麦草,接种S M 时两植物间 差异不显著。外源添加P b 浓度为15 0 0 删k g 时, 接种P S 、S M 的黑心菊P b 吸收量显著高于C k 。,两 菌间差异不显著;接种P S S M 的黑麦草P b 吸收 量显著高于P S 、S M 、C k 。,各处理间差异显著;P S 、 S M 、未接种处理中黑麦草P b 吸收量显著高于黑心 菊。外源添加P b 浓度为20 0 0m g /k g 时,接种微生 物显著促进了两种植物对P b 的吸收;黑心菊P b 吸 收量在接种P S 时最大,黑麦草P b 吸收量在接种 P S S M 时最大;各处理中黑麦草P b 吸收量显著高 于黑心菊的。外源添加P b 浓度为25 0 0m g /k g 时两 种植物P b 吸收量的变化与外源添加P b 浓度为 20 0 0m g /k g 一致。 表5 不同处理中每株植物P b 吸收量 T a b l e5P bu p t a k ep e rp l a n t si n m f f e 他n tt m a t m 蛐t s /m g C k 2O .4 1 士O .0 6 d 8 .1 6 士O .3 2 d8 .0 4 O .7 0 d4 .0 2 士O .4 4 d P S1 .1 9 士O .1 2 d1 3 .5 1 士O .3 9 b1 2 .4 士O .1 2 b8 .0 6 士O .8 0 b 黑麦草s M1 .8 5 士o .1 5 b1 1 .8 2 士O .9 6 c1 1 .3 土O .2 3 c5 .9 z 士O .1 9 cS M1 .8 5 士O .1 5 b1 1 .8 2 士O .9 6 c1 1 .3 土O .2 3 c 5 .9 Z 士O .1 9 0 P S S M .5 3 士O .7 4 c d1 6 .1 5 士O .8 2 a1 6 .8 2 士0 .2 5 a 11 .1 6 0 .3 2 a 注同一列不同字母间差异显著 P P S S M ,分别为 O .5 1 、O .5 0 、0 .4 6 ,但接种P S 、S M 后植株地上部和 地下部P b 浓度均显著高于C k 。,分别为未接种处理 的1 .4 4 和1 .6 9 倍、1 .3 3 和1 .6 2 倍,说明接种微生 物后,虽然黑心菊的转运系数小于未接种,但植株地 上部和地下部P b 浓度均显著增加,微生物促进了 植物的P b 富集能力,促进P b 向地上部的转移,保 证一定的转运能力。 在4 个外源添加P b 浓度梯度下,黑麦草富集 系数表现为P S S M P S S M C k ,均大于1 1 .2 0 ~2 .9 6 ,说明黑麦草适合应用于土壤铅污染 治理,与微生物联合时效果更好[ 2 1 | 。所有处理中黑 麦草的转运系数均远小于1 o .1 1 ~o .3 8 ,P b 向黑 麦草地上部转移能力受明显抑制,说明黑麦草向上 转移重金属能力较弱,对植物的吸收主要集中在根 部,是富集型耐铅植物,其高耐P b 性可能是因为根 部细胞壁对P b 的富集,限制P b 进入原生质层,进 一步抑制P b 转移至其它组织,从而缓解P b 胁迫的 毒害;但外源添加P b 浓度为15 0 0 ~25 0 0m g /k g 时,接种微生物提高了植株地上部与地下部P b 浓 度,促进黑麦草对P b 的吸收,因此接种微生物后黑 麦草的转运能力有一定程度的提高。B A K E R [ 2 2 3 认 为,T F 小于1 时,重金属在植物体内移动性较弱, 可认为该植物适用于植物稳定修复。因此当外源添 加P b 浓度相同时,黑麦草与P S 、S M 、P S S M 联合 的组合方式均适合应用于植物稳定修复,与陈燕玫 等[ 4 1 研究结果相似。 3 .3 植物与微生物联合修复土壤P b 污染的效果 本研究中,在4 个外源添加P b 浓度梯度下,黑 心菊和黑麦草接种微生物后对P b 的去除率均高于 对照,去除率分别在o .4 8 %~7 .6 9 %和0 .8 4 %~ 7 .9 7 %;黑心菊对P b 的去除率在外源添加P b 浓度 为20 0 0m g /k g 时,接种P S 、S M 时最大 7 .6 9 %、 6 .6 6 % ;黑麦草对P b 的去除率在外源添加P b 浓 度为20 0 0m g /k g 时,接种P S 、S M 、P S S M 时最大 3 .2 7 、3 .0 9 、7 .9 7 。接种微生物后两种植株对P b 的吸收量均在外源添加P b 浓度为20 0 0m g /k g 时 最大,均显著高于对照 表5 ,黑心菊对P b 的吸收 量分别为每株1 1 .3 4 、9 .9 5m g ,黑麦草P b 吸收量分 别为每株1 3 .5 1 、1 1 .8 2 、1 6 .1 5m g 。宣斌等邙1 研究 的黑心菊在相同P b 浓度,其地上部P b 吸收量为每 株2 .1 3m g ,本研究中,所得结果为其5 .3 、4 .7 倍和 6 .3 、5 .6 、7 .6 倍。张浩等口3 ] 研究的黑麦草在相同 P b 浓度下,地上部P b 累积总量为0 .7 0 9 ,本研究 中,所得结果为其1 6 、1 4 倍和1 9 .1 、1 6 .7 、2 2 .7 7 倍。 由此推测,接种P S 和S M 能显著提高黑心菊和黑 麦草的耐受性和P b 吸收能力,提高修复效率;对植 物接种P S 的修复效果优于S M ,同时接种P s 和 S M 效果优于单接种。 4结论 拟青霉菌、嗜麦芽窄食单胞菌均能促进P b 胁 迫下黑心菊和黑麦草的生长,缓解P b 对植物的毒 害,对植株的促生作用有胁迫诱导的特性。在土壤 外源添加P b 浓度为15 0 0m g /k g 时,拟青霉菌显著 提高黑心菊的富集系数和转运系数,有效促进植物 对P b 的吸收,增加P b 向地上部分的转移,体现了 植物提取的应用潜力。利用拟青霉菌和嗜麦芽窄食 单胞菌辅助P b 富集植物黑麦草对高浓度P b 污染 土壤进行植物稳定修复,能够促进植株生长,显著提 高黑麦草对P b 的富集能力,将P b 固持在植株根 部,有效抑制P b 向植株地上部迁移,两种菌株同时 接种时效果最优。 参考文献 [ 1 ] 环境保护部,国土资源部.全国土壤污染状况调查公 报[ N ] .中国国土资源报,2 0 1 4 一0 4 1 8 2 . 万方数据 1 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 1 年第3 期 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] M i n i s t r yo fE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ,M i n i s t r yo fL a n d a n dR e s o u r c e s .N a t i o m ls o i lp o l l u t i o ns u r v e yb u l l e t i n [ N ] . 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