（植物营养学专业论文）铅镍富集植物的筛选及其根际微生态特征.pdf

铅镍富集植物的筛选及根际微生态特征 植物营养学博士研究生陆引罡 指导教师黄建国教授 ( 摘要) 本研究通过对我国西部地区，尤其是贵州省重金属富集植物的资源调查，应用溶液培养、 盆栽试验、室内分析相结合的方法，筛选出重金属富集植物，以贵州省典型、具有代表性的 酸性黄壤为供试土壤，研究了重金属富集的机理、影响因子、根际微生物的群落特征等，为 筛选、利用、开发超积累植物，恢复生态提供了科学依据。主要结果如下： 1 铅富集植物的筛选 1 1 在试验的前期工作中，我们收集t 6 0 余种草坪植物或杂草种子，利用田间微区试验，加 入外源铅进行了耐受性研究，初步筛选出四种铅耐性较强的植物，它们是翦股颖、黑麦草、 狗牙根和早熟禾和番茄，镍耐性强的植物是车前草。 1 2 溶液培养试验表明，在四种供试草坪植物中，翦股颖的株高与根长受抑制程度低于其它 三种植物，说明翦股颖对铅有较强的耐受性，其耐性强于其它三种植物。在土培试验中，铅 在各种植物体内的含量顺序是黑麦草 翦股颖 狗牙根 早熟禾( 以各种植物器官的最高含量 计) 。黑麦草对铅有较强的吸收能力，其体内可能存在铅的富集机制。 1 3 植株地上部和根系含铅量的比值日p 茎叶根系( s r ) 能反映铅在植物体内的运输和分配 情况，从茎叶根系( s r ) 比值看，铅从根都向地上都运输的能力为：翦股颖 黑麦草 狗牙 根 早熟禾。 1 4 根系耐性指数是重金属处理的根系长度与对照根系长度的比值，可以很好地反映植物对 重金属的酚眭情况。根据根系耐性指数，四种植物对铅的耐性为：翦股颖 黑麦草 早熟禾 狗 牙根。 1 5 富集系数是衡量植物积累重金属能力的重要指标，富集系数越大，植物积累重金属的能 力越强。从富集系数看，四种植物的富集能力为：翦股颖 黑麦草 狗牙根 早熟禾。 1 6 在植物的生长过程中，植株生物量和植株高度的变化可以指示土壤重金属对植物生长的 影响。四种草坪植物对铅的抗性大小依次为：翦股颖 黑麦草 早熟禾 狗牙根。 综上所述，黑麦草和翦股颖对p b 的积累量虽然达不到重金属超积累植物的标准，但富集 效果优于6 0 余种其它供试植物，推荐作为p b 污染地区的生态修复植物。 2 镍富集植物的筛选 2 1 在l o o m g n i k g - 士和1 5 0 m g n i k g 1 士的污染土壤中，车前草地f 部根生物量随七壤中氮浓 西南大学博士学位论文 度提高而显著增加，生物量与土壤含氮鼙呈显著l e 相关( p o 0 1 ) ：在乍前草根系内，n i 的浓 度随士壤中n i 的浓度提高而增加，它们之间显著呈正相关( p o 0 1 j 。 22 下前草地七部干重呈现出随氮磷施用量的提高而增加的趋势。尽管车前草对镍有一定的 忍耐能力，但在高浓度( 2 0 0m g n i - k 旷1 寸) 的十壤环境中，生k 显著受到抑制。此外，车前草 地上部干重与士壤中镍的浓度呈负相关( p p e aa n n u a c y n o d o nd a c t y l o n ( a c c o r d i n gt ot h eh i g h e s tc o n t e n ti no r g a n s ) t h u sl o l i u mp e r e n n es h o w e ds t r o n g e s ta b i l i t yf o rp ba b s o r p t i o nw h i c hc o u l dr e s u l tf r o mu n c l e a r i n n e rm e c h a n i s m s 1 3t h er a t i oo fp bc o n t e n t si nu p p e rp a r t st or o o t s ( s r ) c o u l di n d i c a t et h et r a n s p o r t a t i o na n d d i s t r i b u t i o no ft h eh e a v ym e t a li np l a n t s t h et r a n s f e ra b i l i t i e so fp bf r o mr o o t st ol e a v e sa n ds t e m s ， d e t e r m i n e db yt h ev a l u e s o fs r c h a n g e di nt h eo r d e r ：a g r o s t i ss t o l o n i f e r a l o l i u mp e r e n n e c y n o d o nd a c t y l o n p e aa n n a a 1 4r o o t st o l e r a n c ei n d e x ( r t i ) i st h er a t i oo fr o o tl e n g t h su n d e rh e a v ym e t a ls t r e s st ot h o s ei n b l a n kc o n t r 0 1 w e l ls h o w i n gt h et o l e r a n c ea b i l i t i e so ft h ep l a n tt oh e a v ym e t a ls h e s s a c c o r d i n gt o r t i t h et o l e r a n c ea b i l i t i e so fp l a n t sw e r e ：a g r o s t i ss t o i o n i f e r a l o l i u mp e r e n n e p e aa n n u a c y n o d o nd a c t y l o n 。 1 5e n r i c h m e n tc o e f f i c i e n ti sa l li m p o r t a n ti n d e xt oe v a l u a t et h ea c c u m u l a t i o na b i l i t i e so fh e a v y m e t a l sb yp l a n t s t h eb i g g e rt h ee n r i c h m e n tc o e f f i c i e n t t h es t r o n g e rt h ea b i l i t i e s t h ea b i l i t i e so f p l a n t sd e t e r m i n e de n r i c h m e n tc o e f f i c i e n tc h a n g e di na c c o r d a n c ew i t h ：a g r o s t i ss t o l o n i f e r a l o l i u m p e r e n n e c y n o d o nd a c t y l o n p e aa n n m a 1 6p be n r i c h e dp l a n t sc o u l da d a p tt op bp o i l u t e de n v i r o n m e n t sa n dg r o wn o r m a l l yi np bp o l l u t e d s o 丑s i nt h eg r o w t hp e r i o do fp l a n t s ，t h ec h a n g eo fp l a n tb i o m a s sa n dh e i g h tc o u l dr e f l e c tt h e e n v i r o n m e n t a li m p a c to np l a n t s g e n e r a l l y , t h er e s i s t a n ta b i l i t i e so fl a w ng r a s s e st op bp o l l u t i o n w e r e a g r o s t i ss t o l o n i f e r a l o l i u m p e r e n n e p e aa n n u a c y n o d o nd a c t y l o n t h er e s u l t sa b o v es h o w e dt h eg r e a ta c c u m u l a t i o na b i l i t i e so fp bb yl o l i u mp e r e n n ea n d a g r o s t i ss t o l o n i f e r aa l t h o u g hl e s st h a nc r i t e r i o no fs u p e rh e a v ye n r i c h e dp l a n t s i tc o u l ds t i l lb eu s e d t or e h a b i l i t a t et h ee c o s y s t e m ss e r i o u s l yp o l l u t e db yp b 2 s e l e c t i o no ft h e n i c k e le n r i c h e dp l a n t s 2 1t h er e s u l t ss h o w e dt h ei n c r e m e n to ft h er o o tb i o m a s sw i t ht h ea u g m e n to fnf e r t i l i z e di n t o s o i l sa d d e dw i t h1 0 0m gn i k g 1s o i la n d1 5 0m gn i k g - 1s o i l s i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n w a sf o u n db e t w e e nt h eb i o m a s s e sa n dt h enl e v e l si nt h i sc a s eo 0 0 1 ) i nc o n t r a s tt ot h eb i o m a s s w h i c ha l m o s tu n c h a n g e dw i t ht h ee n h a n c e m e n to fp h o s p h o r u sf e r t i l i z e d n ia c c u m u l a t e di nr o o t so f a s i a t i cp l a n t a i nr a i s e dw i t he n h a n c e m e n to fn ic o n c e n t r a t i o n sw h i c hr e s u l t e di nt h es i g n i f i c a n t l y p o s i t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h ec o n t e n t so f n ii nr o o t s a n di ns o i l s 2 2t h eb i o m a s so f a s i a t i cp l a n t a i nt e n d e dt oi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e m e n to fna n dpf e r t i l i z e d e v e nt h o u g ha s i a t i cp l a n t a i nw a st o l e r a n tt on i ，t h eg r o w t hw a ss i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e di nt h es o f t s a d d e dw i t h2 0 0m gn i k g - 1s o i l f u r t h e r m o r e ，t h e r ee x i s t e dan e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ed r y m a t t e r o f u p p e r p a r t s o f a s i a t i c p l a n t a i na n d t h e c o n t e n t so fn i i ns o i l s ( p p b 。 以上研究表明土壤中重金属污染程度加剧，会导致微生物c m i c n m i c b l ：例明显上升。可 见，土壤微生物c m i c n m i c l l 二值的变化可以作为反映重金属污染土壤微生物生物量的一个重 要指标。 1 3 4 重金属污染对土壤微生物活性的影响 土壤微生物活性是指土壤中所有微生物( 包括细菌、真菌、放线菌、原生动物、藻类以 及微小动物) 的总体代谢活性( n a n n i p i e r i ，1 9 9 0 ) 。微生物活性在维持土壤生产力可持续发展 方面起着十分关键的作用。因为土壤中有机质的周转和矿化、养分转化以及有机废弃物的循 环等均依赖于土壤微生物的代谢功能( s p a r l i n g ，1 9 8 5 ；l e ea n dp a n l d a u r s t ，1 9 9 2 ) 。因此，在土壤 生态系统的形成、功能演变过程中微生物活性是必不可少的要素之一，其活性的变化能够敏 感地反映土壤质量的健康状况( p a n k h u r s t 。1 9 9 5 ) 。 关于土壤微生物活性指标的表征方面前人曾作了大量的研究工作。在此基础上，人们普 遍认为土壤环境释放的c 0 2 量以及0 2 的吸收量可作为评价土壤微生物活性大小的指标。但也 有学者将土壤脱氢酶活性亦作为反映土壤微生物活性大小的指标之一，因为它是胞内酶，主 要来源于微生物的活动。近加多年来，其它些指标和方法也在不断地出现，比如微观能量、 a r p 测定、a e c ( 能荷比) 以及表观酶活性也被用来反映七壤总体微生物活性0 q a n n i p i e r ie ta 1 ， 6 第1 章文献综述 1 9 9 0 ) 。近几十年随着= r ：农业的快速发展，环境中重金属污染问题日显严重f 陈怀满，1 9 9 6 ) 。 由于重金属在土壤中易于积累，重金属的严重污染可以抑制微生物活性，对士壤生态系统功 能的发挥构成严重威彤) ( t i l l e r , 1 9 8 9 ) 。 1 3 5 重金属污染对土壤呼吸作用的影响 土壤呼吸速率是研究土壤重金属污染用得较多的微生物参数之一( b a a t h ，1 9 8 9 ) 。在大多数 情况下，低浓度重金属污染土壤有利于c 0 2 的释放，但高浓度重金属污染土壤，其呼吸速率极 显著的下降( b a a t he ta 1 ，1 9 9 1 ；s p e l t e t 口t ，1 9 9 2 ；k a n d e l e r e t 矗，1 9 9 2 ；l a n d m e y e r e ta 1 ，1 9 9 3 ： a o y a m ae t a l ，1 9 9 3 ；s p e i r e t a l ，1 9 9 5 = c o n t r o f u 甜矗，1 9 9 5 ) 。b r o o k e s 和m c g r a 如f 1 9 8 7 ) 研究发 现，重金属污染严重的土壤其基础呼吸比轻度污染土壤要高得多。h i e b b a c h 等( 1 9 9 4 ) 报道在土 壤中施入含低浓度重金属和高浓度重金属的污泥时，其土壤基础呼吸则随着重金属浓度的增 加而上升。b a r d g c t t 等( 1 9 9 4 ) 测定了草地表层土壤的基础呼吸，其大小则随着c u 、c r 以及a s 浓 度的增加而呈现显著地上升趋势。k 珂h a m ( 1 9 8 5 ) 曾应用“c 标记葡萄糖施入重金属污染土壤中 进行研究发现，土壤基础呼吸( 呼吸释放c 0 2 标记微生物生物量c ) 的比值魁随着重金属的胁 迫加剧而增加，这表明重金属胁追下微生物代谢活性从生物合成转向能量释放分解代谢过程。 后来许多学者进一步研究肯定了重金属污染土壤具有较高的基础呼吸特性( c h a n d e ra n d b r o o k e s ，1 9 9 1 a ；b a r d g e t te ta 1 ，1 9 9 4 ) 。但有人发现加入低浓度c d 和z 丑反而会促进呼吸作用 f f l i e b b a c he ta 1 1 9 9 4 ) 。 微生物的代谢商也是微生物活性的重要指标之一，即用来定量表征单位生物量的微生物 在单位时间里的呼吸作用的大小。土壤环境受到胁迫或干扰条件下，微生物为了维持生存可 能需要更多的能量，而使土壤微生物的代谢活性发生不同程度的反应。大量研究表明，土壤 微生物的代谢商通常随着重金属污染程度的增加而上升。b r o o k e s 和m e g r a t h 研究得出重金属污 染土壤的代谢商是未污染士壤的两倍。c h a n d e r 和b r o o k e s ( 1 9 8 4 ，1 9 9 2 ，1 9 9 5 ) 采用“o l 示记的葡萄 糖和玉米为基质，研究土壤微生物对不同浓度重金属的反应，高浓度重金属污染土壤中微生 物利用有机碳更多地作为能源，以c 0 2 的形式释放，而低浓度重金属污染土壤中微生物能更有 效地利用有机碳转化为生物量碳，g i o v a n n i 等( 1 9 9 6 ) 研究认为，土壤中重金属含量与壤呼吸 作用呈正相关，而且代谢商与重金属浓度的相关性更好。k i l l h a m 等( 1 9 8 5 ) 采用1 4 c 标记的葡萄 糖为基质添加至土壤进行研究，认为微生物代谢商的变化是土壤呼吸作用或脱氢酶活性变化 值的两倍。因此，土壤微生物的代谢商( q c 0 2 ) 可作为重金属胁迫下土壤微生物生理代谢特征 的一个敏感指标。 1 3 6 重金属污染对土壤酶活性的影响 土壤酶与土壤微生物的关系密切，土壤中一些酶由微生物分泌，并且和微生物一起参与 土壤中物质和能量的循环。大量研究表明，士壤酶活性的大小与重金属污染程度存在一定的 7 西南大学博 学位论文 相关 峰( t y l e r , 1 9 8 1 ：b a a t h ，1 9 8 9 ：s c h u l l e r , 1 9 8 9 ；b a r d g e t te ta l ，1 9 9 4 ) 。这些酶中既包括胞内酶， 如脱氨酶( b r o o k e s ，1 9 9 5 ) ，也包括胞外酶，如脲酶、蛋白酶等。一些重金属元素是土壤酶的重 要组成或辅因子。但当重金属过多时会对酶活性产生抑制作用。重金属对酶活性的抑制机理 可能与酶分子中的活性部位。巯基和含咪唑的配位等结合，形成较稳定的络合物，产生r 与 底物的竞争性抑制作用有关或者可能由于重金属通过抑制土壤微生物的生i 圭和繁殖，减少体 内酶的合成和分泌，最后导致土壤酶活性下降( 周礼凯等，1 9 8 6 ) 。k a n d e l e r 等( 1 9 9 7 ) 研究了土 壤中的1 3 种酶后发现，与土壤碳循环有关的酶受到抑制较小，与土壤氮、磷、硫等循环有关 的酶受重金属抑制作用明显。他们还发现在轻度污染浓度下( z n 、c u 、n i 、v 、c d 分别为3 0 0 m g 您、1 0 0m g 蚝、5 0 lm g k 百1 、5 0m g k g 、3m g 埏一，低于e c 标准) 芳基硫酸酯酶、碱性 磷酸酶和脱氢酶活性分别只有对照的5 6 8 0 ，4 6 6 4 ，5 4 6 9 。c a r b o n e l l 等( 2 0 0 0 ) 研究 结果表明，铜对土壤b - 半乳糖营酶和脱氢酶的e c s o 值分别为7 8 3 9 j f h 2 4 8 8 r a g k f l 。w i l k e ( 1 9 8 7 ) 研究发现z n 和c u 分别加入土壤8 年和1 0 年后，土壤脱氢酶和蛋自酶活性受到极显著的抑制作 用，尽管供试土壤的z n 浓度为2 2 2 m g 蚝。1 没有超过建议标准( 3 0 0m g k g 。1 ) ，但它仍降低了土壤 酶活性。w i l k e ( 1 9 8 8 ) 的另一实验结果表明当土壤加入b r 、f 、n i 、v 后，土壤的蛋白酶和脱氢 酶活性则下降。b e l i t s y a 等( 1 9 8 9 ) 研究发现当c d 、p b ：g l z n 浓度分别为1 0m g k 一、5 0 0m g - k g 、 1 0 0 0m g 妇。1 时，转化酶和脱氢酶活性则下降最为明显。k a n d e l e r 等( 1 9 9 2 ) 报道了金属冶炼厂附 近土壤的酶活性遭到重金属污染，与无污染土壤相比，其中脱氢酶、蛋白酶、碱性磷酸酶以 及硫酸酯酶活性均受到明显抑制。从以上可见，不同种类的酶对重金属污染物的敏感性存在 较大的差异( s c h u l l e r ，1 9 8 9 ；y e a t e se ta 1 ，1 9 9 4 ；b a r d g e t te ta l ，1 9 9 4 ；s p e i re ta 1 ，1 9 9 5 ；h e m i d a e t a l 1 9 9 7 ；k a n d e l e r e t a l ，1 9 9 7 ) 。通常情况f ，脱氢酶活性f w i l k e ，1 9 8 7 ；1 9 8 8 ；