超積累植物和化學(xué)改良劑聯(lián)合修復(fù)鋅鎘污染土壤后的微生物特征

1、超積累植物和化學(xué)改良劑聯(lián)合修復(fù)鋅鎘污染土壤后的微生物特征彭桂香，蔡 婧，林初夏華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642摘要：通過盆栽試驗(yàn)，觀察分析不同的土壤改良配方對重金屬超積累植物東南景天盆栽土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量、Cmic及Nmic的影響，以此來篩選出最優(yōu)的促進(jìn)東南景天修復(fù)鋅鎘污染土壤的改良劑配方。結(jié)果顯示：細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量，與土壤Zn、Cd的去除率、東南景天植株干質(zhì)量、Cmic及Cmic/Nmic兩兩之間都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（但Cmic/Nmic與真菌數(shù)量僅呈顯著相關(guān)）。添加了土壤改良劑后，細(xì)菌、放線菌、真菌的數(shù)量都有不同程度的增加，其中以細(xì)菌數(shù)量的增加最為顯著，

2、放線菌次之，真菌則對各種土壤處理相對較不敏感；在各種土壤配方中，添加了6 g赤泥、15 g污泥和15 g沸石的T7處理最有利于各類土壤微生物的生長，微生物量碳達(dá)到345.64 mg·kg-1，與其它處理之間都達(dá)到顯著差異。因此，可以利用土壤微生物作為污染土壤改良情況的生物指標(biāo)。該研究為下階段研究化學(xué)改良劑-植物-微生物修復(fù)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：土壤微生物；重金屬污染；植物修復(fù)；土壤改良劑；東南景天中圖分類號：X172；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-2175（2005）05-0654-04隨著采礦業(yè)的迅速發(fā)展，大量重金屬元素進(jìn)入土壤系統(tǒng)，給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。重

3、金屬的侵入，一方面對植物、地下水等方面產(chǎn)生重大影響，并通過食物鏈危害人體健康；另一方面，重金屬污染能明顯影響土壤微生物群落，如降低土壤微生物量和活性菌類數(shù)量等等1, 2。土壤重金屬污染治理的傳統(tǒng)方法主要有：基于機(jī)械物理或物理化學(xué)原理的工程措施，包括客土換土法、清洗法、熱處理法、電化學(xué)法等；基于污染物土壤地球化學(xué)行為的改良措施，如加入改良劑以減輕污染物對生態(tài)環(huán)境的危害等3。這些傳統(tǒng)方法具有快速高效的去污效果，但由于其費(fèi)用昂貴和對土壤擾動大，從而限制了它們的大面積應(yīng)用。為了解決這個問題，經(jīng)過多年的摸索，科學(xué)家們提出了既能實(shí)現(xiàn)凈化目標(biāo)又能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)并具有良好開發(fā)價(jià)值的生物修復(fù)技術(shù)4。其途徑主

4、要有植物修復(fù)和微生物修復(fù)5。土壤微生物種群結(jié)構(gòu)是表征土壤生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的重要參數(shù)，它能較早地預(yù)測土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量的變化過程，被認(rèn)為是最有潛力的敏感性生物指標(biāo)之一6。實(shí)施植物修復(fù)的前提條件是選擇合適的對污染重金屬有較強(qiáng)吸收能力的超積累植物。超積累生態(tài)型東南景天不僅對過量的Zn、Cd有很強(qiáng)的忍耐能力，而且其體內(nèi)能積累超量的Zn、Cd，富集系數(shù)達(dá)到1.251.94，所以該植物在土壤重金屬的植物修復(fù)方面具有很高的研究價(jià)值7。但是，我們也須正視到，超積累植物通常具有生物量低，生長比較慢，對金屬有選擇性等特點(diǎn)。為了克服上述修復(fù)技術(shù)的不足，不少科學(xué)家將植物-微生物聯(lián)合體系的作用與傳統(tǒng)的修復(fù)方法綜

5、合形成組合修復(fù)技術(shù)，為最大限度地去除土壤中的重金屬和短期內(nèi)進(jìn)入應(yīng)用推廣提供可能。我們采用化學(xué)改良劑植物修復(fù)技術(shù)。所謂的化學(xué)改良劑-植物修復(fù)技術(shù)，即在植物微生物聯(lián)合體系修復(fù)前，加入土壤改良劑如赤泥8、城市污泥9和熟石灰等調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)及其物理化學(xué)條件，以改良植物及微生物的生長環(huán)境，促進(jìn)二者對重金屬的作用。本研究使用不同添加劑或它們的組合配方，與未經(jīng)處理的土壤進(jìn)行比較，從微生物的角度研究超積累生態(tài)型東南景天-微生物聯(lián)合體系在不同土壤處理方法下對鋅、鎘污染土壤中的修復(fù)效果，為下階段研究化學(xué)改良劑-植物-微生物修復(fù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)10。1 試驗(yàn)材料和方法1.1 試驗(yàn)材料供試植物、供試土壤、土壤前處理和盆栽實(shí)

6、驗(yàn)見文獻(xiàn)11。盆栽試驗(yàn)中各種土壤介質(zhì)的組成見表1。1.2 測定項(xiàng)目與方法在植物移栽后第65 d，收獲植物地上部分，稱其鮮質(zhì)量并記錄，然后用自來水沖洗干凈，再用雙蒸水洗兩次，在70 左右的烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量，測定干物質(zhì)質(zhì)量和植物樣中Zn和Cd含量11。用無菌小勺取土立即進(jìn)行微生物分析。表1 超積累生態(tài)型東南景天盆栽試驗(yàn)中各種土壤介質(zhì)的組成Table 1 Formulated soil media used for the growth of Sedum alfredii Hance in the pot experiment /g處理土壤赤泥污泥沸石熟石灰CK1000T110003T210001

7、5T3100015T410001T5100031515T610006T7100061515T8100015151T9100015152土壤細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；土壤真菌采用孟加拉紅馬丁氏培養(yǎng)基；土壤放線菌采用高氏一號改良培養(yǎng)基。平板涂布法，每皿接種100 mL，計(jì)算培養(yǎng)皿上出現(xiàn)的菌落。選出細(xì)菌和放線菌菌落數(shù)在20300之間和真菌菌落數(shù)在10100的培養(yǎng)皿記數(shù)。微生物生物量碳、氮的測定：采用氯仿熏蒸浸提法(FE) 12。用0.5 mol·L-1 K2 SO4提取(m(土)/m(水) =41)。提取液中有機(jī)碳用氧化滴定法測定。土壤微生物生物量碳以熏蒸和未熏蒸土壤提取液中有機(jī)碳的差值

8、除以轉(zhuǎn)換系數(shù)得到，土壤微生物生物量碳轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.3812。同樣采用熏蒸浸提法，測土壤微生物生物量氮，浸提液中的氮采用消煮法測定，土壤微生物生物量氮轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.4512, 13。用Excel和SAS8.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2 結(jié)果與分析表2 不同土壤處理對東南景天盆栽土壤微生物性質(zhì)的影響1)Table 2 Effects of soil treatments on soil microorganisms in the pot experiment處理細(xì)菌菌落數(shù)/(×107個·g-1)放線菌菌落數(shù)/(×105個·g-1)真菌菌落數(shù)/(×103個

9、·g-1)微生物量碳/(mg·kg-1)微生物量氮/(mg·kg-1)微生物量C/微生物量NCk0.686.333.9042.92e10.464.10T11.8925.5019.05211.90bc11.7817.99T21.4530.6518.70255.12b12.1720.96T30.946.447.2574.53d9.737.66T41.0512.5411.4572.30d15.704.61T51.1527.2517.85174.57bc17.2610.11T61.2819.9813.15188.44bc10.6617.68T72.0631.0020.60

10、345.64a13.1726.24T81.1116.789.70147.37c27.595.34T90.8714.299.10132.89c8.6515.361) p=0.05, n=4從表2中可看出，各處理細(xì)菌菌落數(shù)量在0.68×1072.06×107 個·g-1土之間，放線菌菌落數(shù)量在6.33×10531.00×105 個·g-1土之間，真菌菌落數(shù)量3.90×10320.60×103 個·g-1土之間。其中都是T7處理數(shù)量最多，CK最少。無論任何一種添加劑或添加劑組合都使三大類微生物的數(shù)量增加。而T7

11、處理微生物量碳達(dá)到345.64 mg·kg-1，與其它處理之間都達(dá)到顯著差異。表3 各因素之間相關(guān)性分析1)Table 3 Correlation matrices showing coefficients for variablesABCDEFGHIA1B0.8131.000C0.8790.9611.000D0.8900.9190.8791.000E0.0110.1310.0540.0271.000F0.8020.7810.7640.910-0.3591.000G0.8820.8800.8650.904-0.0200.8371.000H0.8700.9520.9440.929-0.

12、0160.8230.9281.000I0.9130.8910.9210.937-0.0500.8770.8060.8841.0001) r 0.05=0.632，r 0.01=0.765；表中，A為細(xì)菌菌落數(shù)/(×107個·g-1)，B為放線菌菌落數(shù)/(×105個·g-1)，C為真菌菌落數(shù)/(×103個·g-1)，D為微生物量碳/(mg·kg-1)，E為微生物量氮/(mg·kg-1)，F(xiàn)為微生物量C/微生物量N，G為植株干質(zhì)量/g，H為土壤Zn的去除率/(mg·kg-1·d-1)，I為土壤Cd的

13、去除率/(mg·kg-1·d-1)將我們測定的5個因素加上微生物量C/微生物量N，與植株干質(zhì)量、Zn和Cd的去除率共9個因素兩兩之間進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。除生物量氮與其它因素不存在相關(guān)關(guān)系外，其余8個因素兩兩之間都呈極顯著正相關(guān)（例外：微生物量C/微生物量N與真菌數(shù)量相關(guān)系數(shù)0.764非常接近r0.01=0.765），進(jìn)一步驗(yàn)證了土壤微生物總量與植物之間存在相互促進(jìn)的關(guān)系。在植物生長時，其根系為微生物提供了適宜的營養(yǎng)條件，保證微生物數(shù)目和活性的維持；反過來，微生物的旺盛生長，也使植物有更優(yōu)化的生長空間。其中微生物量碳與微生物量氮的比值與微生物數(shù)量的變化呈顯著正相關(guān)，說

14、明土壤的改良效果越好，微生物量碳與微生物量氮的比值越大。這與王秀麗等2人研究的結(jié)論_“土壤有效鋅、鉻與土壤微生物碳氮有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系趨勢”相一致。但Khan等人的研究則表明土壤中重金屬污染程度加劇，會導(dǎo)致微生物量碳與微生物量氮的比值明顯上升14。這結(jié)論與本試驗(yàn)的結(jié)果相反?？磥?，重金屬污染土壤中，微生物種群的變化并非遵循同一規(guī)律，這可能與供試的土壤類型以及重金屬污染物種類不同等有關(guān)。具體原因還需要進(jìn)一步研究。從表4可以看出，與CK相比，不同土壤處理對細(xì)菌數(shù)量增加倍數(shù)的影響達(dá)到極顯著差異，對放線菌數(shù)量增加倍數(shù)的影響達(dá)到顯著差異。說明放線菌對這些添加劑的敏感性要低于細(xì)菌。與CK相比，不同土壤處理對

15、于真菌數(shù)量的增加倍數(shù)雖然有差異，但差異不顯著，說明各種土壤添加劑及其組合對真菌數(shù)量增加倍數(shù)均無明顯的作用。這也證實(shí)了Hiroki等人研究的結(jié)論15：不同類群微生物對重金屬污染的耐性不同，通常真核生物真菌的耐性要大于原核生物細(xì)菌、放線菌等。所以添加土壤改良劑對于真菌數(shù)量的影響就相對較小。比較T1、T2、T3、T4、T6這五種添加單一改良劑的處理可以看出，與CK相比，單獨(dú)添加3 g赤泥的T1處理細(xì)菌數(shù)量增加最多，增加了1.7794倍，但對于放線菌來說，卻是單施污泥的T2處理對放線菌數(shù)量增加的作用最大。而單獨(dú)添加沸石的T3處理細(xì)菌和放線菌的增加倍數(shù)都最低，說明沸石對土壤的改良效果最差。表4 不同土壤

16、處理對東南景天盆栽土壤3類 微生物數(shù)量的影響(與CK相比增加倍數(shù)) 1)Table 4 Effects of soil treatments on the abundance of three different types of microbes處理細(xì)菌增加倍數(shù)細(xì)菌增加倍數(shù)放線菌增加倍數(shù)真菌增加倍數(shù)T11.7794AB1.7794ab3.0284ab3.8846T21.1324ABC1.1324bc3.8420a3.7949T30.3824C0.3824de0.0174de0.8590T40.5441BC0.5441cde0.9810cde1.9359T50.6912ABC0.6912cd2

17、.3049abc3.5769T60.8824ABC0.8824cd2.1564bc2.3718T72.0294A2.0294a3.8913a4.2821T80.6324ABC0.6324cde1.6509bc1.4872T90.5796C0.5796cde1.2575cde1.3333CK0.0000C0.0000e0.0000e0.00001) 表中數(shù)據(jù)用SAS軟件進(jìn)行分析，多重比較采用Duncan法；表中所示數(shù)值為平均值；表中同列數(shù)據(jù)具有相同字母的數(shù)據(jù)無顯著性差異，小寫字母表示=0.05，大寫字母表示=0.01與對照處理相比，細(xì)菌、放線菌、真菌的增加倍數(shù)都是添加了6 g赤泥、15 g污泥和

18、15 g沸石的T7處理最大。與T3、T4、T6、T8、T9的細(xì)菌和放線菌增加倍數(shù)的差異均達(dá)到顯著水平。因此，我們可以根據(jù)土壤微生物數(shù)量的多少來粗略判斷不同土壤改良劑對東南景天修復(fù)Zn、Cd污染土壤的促進(jìn)效果。即土壤添加劑越合適，土壤微生物總量就越多，微生物數(shù)量的增多會進(jìn)一步促進(jìn)東南景天植株的生長，越有利于東南景天對重金屬污染土壤中的Zn、Cd的吸收，土壤的重金屬去除率就越高，土壤的改良效果就越好。參考文獻(xiàn)：1 滕應(yīng)，黃昌勇. 重金屬污染土壤的微生物生態(tài)效應(yīng)及其修復(fù)研究進(jìn)展J. 土壤與環(huán)境, 2002, 11(1): 8589. TENG Y, HUANG C Y. Ecological eff

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30、eriment was conducted to examine the effects of chemical amendment on the microbial characteristics of a heavy metal-contaminated soil used for the growth of a hyperaccumulating plant, Sedum alfredii Hance. The results show that the abundance of the soil microbes（bacteria, actinomycetes and fungi）is significantly (at p=0.01) related to the removal rate of Zn and Cd from the soil, the dry biomass of Sedum alfredii Hance, Cmic, a