超积累植物和化学改良剂联合修复锌镉污染土壤后的微生物特征.doc

彭桂香等：超积累植物和化学改良剂联合修复锌镉污染土壤后的微生物特征 657超积累植物和化学改良剂联合修复锌镉污染土壤后的微生物特征彭桂香，蔡 婧，林初夏华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642摘要：通过盆栽试验，观察分析不同的土壤改良配方对重金属超积累植物东南景天盆栽土壤中细菌、真菌和放线菌数量、Cmic及Nmic的影响，以此来筛选出最优的促进东南景天修复锌镉污染土壤的改良剂配方。结果显示：细菌、真菌和放线菌数量，与土壤Zn、Cd的去除率、东南景天植株干质量、Cmic及Cmic/Nmic两两之间都呈现极显著正相关关系（但Cmic/Nmic与真菌数量仅呈显著相关）。添加了土壤改良剂后，细菌、放线菌、真菌的数量都有不同程度的增加，其中以细菌数量的增加最为显著，放线菌次之，真菌则对各种土壤处理相对较不敏感；在各种土壤配方中，添加了6 g赤泥、15 g污泥和15 g沸石的T7处理最有利于各类土壤微生物的生长，微生物量碳达到345.64 mgkg-1，与其它处理之间都达到显著差异。因此，可以利用土壤微生物作为污染土壤改良情况的生物指标。该研究为下阶段研究化学改良剂-植物-微生物修复技术奠定了基础。关键词：土壤微生物；重金属污染；植物修复；土壤改良剂；东南景天中图分类号：X172；X53 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）05-0654-04随着采矿业的迅速发展，大量重金属元素进入土壤系统，给生态环境造成严重的负面影响。重金属的侵入，一方面对植物、地下水等方面产生重大影响，并通过食物链危害人体健康；另一方面，重金属污染能明显影响土壤微生物群落，如降低土壤微生物量和活性菌类数量等等1, 2。土壤重金属污染治理的传统方法主要有：基于机械物理或物理化学原理的工程措施，包括客土换土法、清洗法、热处理法、电化学法等；基于污染物土壤地球化学行为的改良措施，如加入改良剂以减轻污染物对生态环境的危害等3。这些传统方法具有快速高效的去污效果，但由于其费用昂贵和对土壤扰动大，从而限制了它们的大面积应用。为了解决这个问题，经过多年的摸索，科学家们提出了既能实现净化目标又能产生良好的经济效应并具有良好开发价值的生物修复技术4。其途径主要有植物修复和微生物修复5。土壤微生物种群结构是表征土壤生态系统群落结构和稳定性的重要参数，它能较早地预测土壤养分及环境质量的变化过程，被认为是最有潜力的敏感性生物指标之一6。实施植物修复的前提条件是选择合适的对污染重金属有较强吸收能力的超积累植物。超积累生态型东南景天不仅对过量的Zn、Cd有很强的忍耐能力，而且其体内能积累超量的Zn、Cd，富集系数达到1.251.94，所以该植物在土壤重金属的植物修复方面具有很高的研究价值7。但是，我们也须正视到，超积累植物通常具有生物量低，生长比较慢，对金属有选择性等特点。为了克服上述修复技术的不足，不少科学家将植物-微生物联合体系的作用与传统的修复方法综合形成组合修复技术，为最大限度地去除土壤中的重金属和短期内进入应用推广提供可能。我们采用化学改良剂植物修复技术。所谓的化学改良剂-植物修复技术，即在植物微生物联合体系修复前，加入土壤改良剂如赤泥8、城市污泥9和熟石灰等调节土壤营养及其物理化学条件，以改良植物及微生物的生长环境，促进二者对重金属的作用。本研究使用不同添加剂或它们的组合配方，与未经处理的土壤进行比较，从微生物的角度研究超积累生态型东南景天-微生物联合体系在不同土壤处理方法下对锌、镉污染土壤中的修复效果，为下阶段研究化学改良剂-植物-微生物修复技术奠定基础10。1 试验材料和方法1.1 试验材料供试植物、供试土壤、土壤前处理和盆栽实验见文献11。盆栽试验中各种土壤介质的组成见表1。1.2 测定项目与方法在植物移栽后第65 d，收获植物地上部分，称其鲜质量并记录，然后用自来水冲洗干净，再用双蒸水洗两次，在70 左右的烘箱内烘干至恒质量，测定干物质质量和植物样中Zn和Cd含量11。用无菌小勺取土立即进行微生物分析。表1 超积累生态型东南景天盆栽试验中各种土壤介质的组成Table 1 Formulated soil media used for the growth of Sedum alfredii Hance in the pot experiment /g处理土壤赤泥污泥沸石熟石灰CK1000T110003T2100015T3100015T410001T5100031515T610006T7100061515T8100015151T9100015152土壤细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；土壤真菌采用孟加拉红马丁氏培养基；土壤放线菌采用高氏一号改良培养基。平板涂布法，每皿接种100 mL，计算培养皿上出现的菌落。选出细菌和放线菌菌落数在20300之间和真菌菌落数在10100的培养皿记数。微生物生物量碳、氮的测定：采用氯仿熏蒸浸提法(FE) 12。用0.5 molL-1 K2 SO4提取(m(土)/m(水) =41)。提取液中有机碳用氧化滴定法测定。土壤微生物生物量碳以熏蒸和未熏蒸土壤提取液中有机碳的差值除以转换系数得到，土壤微生物生物量碳转换系数取0.3812。同样采用熏蒸浸提法，测土壤微生物生物量氮，浸提液中的氮采用消煮法测定，土壤微生物生物量氮转换系数取0.4512, 13。用Excel和SAS8.0软件进行统计分析。2 结果与分析表2 不同土壤处理对东南景天盆栽土壤微生物性质的影响1)Table 2 Effects of soil treatments on soil microorganisms in the pot experiment处理细菌菌落数/(107个g-1)放线菌菌落数/(105个g-1)真菌菌落数/(103个g-1)微生物量碳/(mgkg-1)微生物量氮/(mgkg-1)微生物量C/微生物量NCk0.686.333.9042.92e10.464.10T11.8925.5019.05211.90bc11.7817.99T21.4530.6518.70255.12b12.1720.96T30.946.447.2574.53d9.737.66T41.0512.5411.4572.30d15.704.61T51.1527.2517.85174.57bc17.2610.11T61.2819.9813.15188.44bc10.6617.68T72.0631.0020.60345.64a13.1726.24T81.1116.789.70147.37c27.595.34T90.8714.299.10132.89c8.6515.361) p=0.05, n=4从表2中可看出，各处理细菌菌落数量在0.681072.06107 个g-1土之间，放线菌菌落数量在6.3310531.00105 个g-1土之间，真菌菌落数量3.9010320.60103 个g-1土之间。其中都是T7处理数量最多，CK最少。无论任何一种添加剂或添加剂组合都使三大类微生物的数量增加。而T7处理微生物量碳达到345.64 mgkg-1，与其它处理之间都达到显著差异。表3 各因素之间相关性分析1)Table 3 Correlation matrices showing coefficients for variablesABCDEFGHIA1B0.8131.000C0.8790.9611.000D0.8900.9190.8791.000E0.0110.1310.0540.0271.000F0.8020.7810.7640.910-0.3591.000G0.8820.8800.8650.904-0.0200.8371.000H0.8700.9520.9440.929-0.0160.8230.9281.000I0.9130.8910.9210.937-0.0500.8770.8060.8841.0001) r 0.05=0.632，r 0.01=0.765；表中，A为细菌菌落数/(107个g-1)，B为放线菌菌落数/(105个g-1)，C为真菌菌落数/(103个g-1)，D为微生物量碳/(mgkg-1)，E为微生物量氮/(mgkg-1)，F为微生物量C/微生物量N，G为植株干质量/g，H为土壤Zn的去除率/(mgkg-1d-1)，I为土壤Cd的去除率/(mgkg-1d-1)将我们测定的5个因素加上微生物量C/微生物量N，与植株干质量、Zn和Cd的去除率共9个因素两两之间进行相关性分析，结果见表3。除生物量氮与其它因素不存在相关关系外，其余8个因素两两之间都呈极显著正相关（例外：微生物量C/微生物量N与真菌数量相关系数0.764非常接近r0.01=0.765），进一步验证了土壤微生物总量与植物之间存在相互促进的关系。在植物生长时，其根系为微生物提供了适宜的营养条件，保证微生物数目和活性的维持；反过来，微生物的旺盛生长，也使植物有更优化的生长空间。其中微生物量碳与微生物量氮的比值与微生物数量的变化呈显著正相关，说明土壤的改良效果越好，微生物量碳与微生物量氮的比值越大。这与王秀丽等2人研究的结论_“土壤有效锌、铬与土壤微生物碳氮有一定的负相关关系趋势”相一致。但Khan等人的研究则表明土壤中重金属污染程度加剧，会导致微生物量碳与微生物量氮的比值明显上升14。这结论与本试验的结果相反。看来，重金属污染土壤中，微生物种群的变化并非遵循同一规律，这可能与供试的土壤类型以及重金属污染物种类不同等有关。具体原因还需要进一步研究。从表4可以看出，与CK相比，不同土壤处理对细菌数量增加倍数的影响达到极显著差异，对放线菌数量增加倍数的影响达到显著差异。说明放线菌对这些添加剂的敏感性要低于细菌。与CK相比，不同土壤处理对于真菌数量的增加倍数虽然有差异，但差异不显著，说明各种土壤添加剂及其组合对真菌数量增加倍数均无明显的作用。这也证实了Hiroki等人研究的结论15：不同类群微生物对重金属污染的耐性不同，通常真核生物真菌的耐性要大于原核生物细菌、放线菌等。所以添加土壤改良剂对于真菌数量的影响就相对较小。比较T1、T2、T3、T4、T6这五种添加单一改良剂的处理可以看出，与CK相比，单独添加3 g赤泥的T1处理细菌数量增加最多，增加了1.7794倍，但对于放线菌来说，却是单施污泥的T2处理对放线菌数量增加的作用最大。而单独添加沸石的T3处理细菌和放线菌的增加倍数都最低，说明沸石对土壤的改良效果最差。表4 不同土壤处理对东南景天盆栽土壤3类 微生物数量的影响(与CK相比增加倍数) 1)Table 4 Effects of soil treatments on the abundance of three different types of microbes处理细菌增加倍数细菌增加倍数放线菌增加倍数真菌增加倍数T11.7794AB1.7794ab3.0284ab3.8846T21.1324ABC1.1324bc3.8420a3.7949T30.3824C0.3824de0.0174de0.8590T40.5441BC0.5441cde0.9810cde1.9359T50.6912ABC0.6912cd2.3049abc3.5769T60.8824ABC0.8824cd2.1564bc2.3718T72.0294A2.0294a3.8913a4.2821T80.6324ABC0.6324cde1.6509bc1.4872T90.5796C0.5796cde1.2575cde1.3333CK0.0000C0.0000e0.0000e0.00001) 表中数据用SAS软件进行分析，多重比较采用Duncan法；表中所示数值为平均值；表中同列数据具有相同字母的数据无显著性差异，小写字母表示=0.05，大写字母表示=0.01与对照处理相比，细菌、放线菌、真菌的增加倍数都是添加了6 g赤泥、15 g污泥和15 g沸石的T7处理最大。与T3、T4、T6、T8、T9的细菌和放线菌增加倍数的差异均达到显著水平。因此，我们可以根据土壤微生物数量的多少来粗略判断不同土壤改良剂对东南景天修复Zn、Cd污染土壤的促进效果。即土壤添加剂越合适，土壤微生物总量就越多，微生物数量的增多会进一步促进东南景天植株的生长，越有利于东南景天对重金属污染土壤中的Zn、Cd的吸收，土壤的重金属去除率就越高，土壤的改良效果就越好。参考文献：1 滕应，黄昌勇. 重金属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究进展J. 土壤与环境, 2002, 11(1): 8589. TENG Y, HUANG C Y. Ecological effect of heavy metals on soil microbes and research advances on the mechanisms of bioremediationJ. Soil and Environmental Sciences, 2002, 11(1): 8589.2 王秀丽, 徐建民, 姚槐应, 等. 重金属铜、锌、镉、铅复合污染对土壤环境微生物群落的影响J. 环境科学学报, 2003, 23(1): 2227.WANG X L, XU J M, YAO H Y, et al. Effects of Cu, Zn, Cd and Pb compound contamination on soil microbial communityJ. Acta Scientiae Circumstantiae, 2003, 23(1): 2227.3 陈志良，仇荣亮，张景书，等. 重金属污染土壤的修复技术J. 环境保护, 2001, 8: 1719.CHEN Z L, QIU R L, ZHANG J S, et al. The removed technology of metal pollution in soilJ. Environmental Protection, 2001, 8: 1719.4 阎晓明，何金柱. 重金属污染土壤的微生物修复机理及研究进展J. 安徽农业科学, 2002, 30(6): 877879.YAN X M, HE J Z. Repaired Mechanism of Microorganism in the Soil Polluted with Heavy Metal and its Research AdvanceJ. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2002, 30(6): 877879.5 周东美, 郝秀珍, 薛艳, 等. 污染土壤的修复技术研究进展J. 生态环境, 2004,13(2): 234242.ZHOU D M, HAO X Z, XUE Y, et al. Advances in remediation technologies of contaminated soilsJ. Ecology and Environment, 2004,13(2): 234242.6 孙波，赵其国，张桃林, 等. 土壤质量与持续环境.土壤质量评价的生物学指标J. 土壤, 1997, 29(5): 225234. SUN B, ZHAO Q G, ZHANG T L, et al. Soil quality and sustainable environment . The biological indicators for assessing soil qualityJ. Soils, 1997, 29(5): 225234.7 杨肖娥, 龙新宪. 超积累植物吸收重金属的生理及分子机制J. 植物营养与肥料学报, 2002，8(1): 815.YANG X E, LONG X X. Physiological and molecular mechanisms of heavy metal uptake by hyper-accumulting plantsJ. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002，8(1): 815.8 王林江，谢襄漓，文小年. 赤泥在环境污染修复中的应用J. 桂林工学院学报, 2004, 24(3): 281283.WANG L J, XIE X L, WEN X N. Application of red mud in the remediation of environmental pollution J. Journal of Guilin Institute of Technology, 2004, 24(3): 281283.9 莫测辉, 蔡全英, 王江海, 等. 城市污泥在矿山废弃地复垦的应用探讨J. 生态学杂志, 2001, 20(2): 4447.MO C H, CAI Q Y, WANG J H, et al. Application of sewage sludge to the abandoned mining land reclamationJ. Chinese Journal of Ecology, 2001, 20(2): 4447.10 林初夏，黄少伟，童晓立，等. 大宝山矿水外排的环境影响：. 综合治理对策J. 生态环境, 2005, 14(2): 173177.LIN C X, HUANG S W, TONG X L, et al. Environmental impacts of acid mine drainage from the Dabaoshan Mine: III. Strategies for remediationJ. Ecology and Environment, 2005, 14(2): 173177.11 陈爱胜，林初夏，龙新宪, 等. 不同土壤处理对东南景天吸取土壤中锌和镉效率的影响J. 生态环境, 2004, 13(4): 556559.CHEN A S, LIN C X, LONG X X, et al. Effects of soil treatments on the extraction of Zinc and Cadmium from contaminated soil by Sedum alfredii HanceJ. Ecology and Environment, 2004, 13(4): 556559.12 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法M. 北京: 中国农业科技出版社, 2000: 231233. LU R K. Soil Agrochemical Analysis MethodM. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000: 231233. 13 鲁如坤.土壤农业化学分析方法M. 北京: 中国农业科技出版社, 2000: 231233. LU R K. Soil Agrochemical Analysis MethodM. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000: 128129.14 KHAN K S, XIE Z M, HUANG C Y. Effects of cadmium, lead, and zinc on size of microbial biomass in red soilJ. Pedosphere, 1998, 8(1): 2732.15 HIROKI M. Effects of heavymetal contamination soi1 microbial populationJ. Soil Science and Plant Nutrition, 1992，38: 141147.Microbial characteristics of a Zn and Cd contaminated soil chemically amended for growth of a heavy metal-hyperaccumulating plantPENG Gui-xiang, CAI Jing, LIN Chu-xiaCollege of Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, ChinaAbstract: A pot experiment 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, and