光合细菌对土壤中Cd形态分布的影响

肖根林，白红娟，贾万利

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

环保与三废利用

光合细菌对土壤中Cd形态分布的影响

肖根林，白红娟，贾万利

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

研究了光合细菌球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）在不同理化因素下对土壤中重金属镉形态分布的影响。结果表明，该菌株影响土壤中Cd形态分布的最佳条件为：pH 7、温度35℃ 及加菌量106个／g土。在最佳条件下，光合细菌能最大降低生物可利用性的Cd形态含量和最大提高生物不可利用性的Cd形态含量。因此，光合细菌能明显改变土壤中重金属Cd的各种形态的含量，提高农作物的品质，为光合细菌修复重金属土壤污染的推广应用提供实验依据。

光合细菌；土壤；镉；形态分布

随着社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，重金属对环境以及人类的污染也被逐渐重视起来。由于重金属污染所导致的疾病，威胁到人类的健康，所以，重金属成为当前环境科学研究中的重点。重金属不仅引起土壤环境污染，而且以各种化学状态或化学形态存在，在进入环境或生态系统后会存留、积累和迁移，直接或间接地危害人类和整个生态环境的健康，也就是说土壤重金属污染影响整个人类生存环境的质量［1］。

国内外学者研究了土壤重金属的迁移与转化，并采用化学方法来降低土壤中重金属形态和含量。邱莉萍等［2］的研究结果表明，化学修复剂EDTA 能够与 Cd、Cu、Zn、Ni等许多重金属发生络合作用，从而减少重金属在土壤溶液中的含量；EDTA对Zn污染和轻度Cu污染土壤有较好的改良作用，而对Cd污染和重度Cu污染的土壤改良效果差。王梦亮等［3］研究了光合细菌能改善土壤的结构和营养状况，增加农作物的产量。光合细菌是一种能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用有机物作供氧体兼碳源，进行不放氧光合作用的细菌，具有提高植物光合作用，提高土壤肥力等特性。目前，对光合细菌影响土壤重金属的形态及其在土壤中的分布的研究尚少见报道。因此，研究土壤环境中重金属污染形态转化，对土壤环境质量的提高以及保障农产品安全等方面有着重大的现实意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

菌种：光合细菌H菌株系紫色非硫菌群红细菌属的球形红细菌 （Rhodobacter sphaeroides），由本院光合细菌研究室分离鉴定保藏［4］。

培养基：基础培养基采用光合细菌液体培养基［4］。

1.2 土壤样品的采集、样品处理

土样取自山西省太原市土堂村庄稼地，10～20 cm深，取回实验室后过筛，配制成土壤中含有不同浓度的溴化镉、乙酸铅，放置30 d进行土壤平衡，备用。

1.3 试验方法与条件

在上述的土壤所设定的Cd2＋单一污染浓度分别为 10mg·kg-1，20mg·kg-1，40mg·kg-1，100mg·kg-1。在上述的设定浓度中，设置不同的培养条件，见表1。

表1 光合细菌修复土壤样品实验条件的设计

按照表1的实验条件设计，并且每组设置不加菌为对照组。采用Tessier连续提取法加以改进［5～6］分离出 5 种状态（可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态）。

1.4 测定方法及数据处理

本实验选取光合细菌为微生物材料，在不同温度、pH值和菌浓度等条件下培养土样，通过连续提取法分离土壤中不同形态Cd，采用火焰原子吸光分光光度计测定Cd2＋浓度，研究光合细菌对土壤中Cd形态分布的影响。土壤样品用HNO3-HCl-HClO4消解，火焰原子吸收分光光度法测定消解液中Cd的浓度。试验数据用Origin Pro 8.1进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同pH值土壤样品中镉各种形态的含量

在图1中B表示可交换态加菌，C表示可交换态对照；D表示碳酸盐结合态加菌，E表示碳酸盐结合态对照；F表示铁锰氧化物结合态加菌，G表示铁锰氧化物结合态对照；H表示有机质结合态加菌，I表示有机质结合态对照；J表示残渣态加菌，K表示残渣态对照。由图1可以看出，在pH为5，6，7和8时，重金属Cd的可交换态，加入光合细菌的土样比对照所测出的Cd的浓度低，分别降低了 2.21%，1.94%，4.59%和 4.09%。 因此，光合细菌能明显降低土壤中的交换态Cd，并且，最佳降低Cd交换态的浓度的条件是pH值为7。重金属Cd的碳酸盐结合态，加入光合细菌的土样所测出的Cd的浓度都小于对照，说明光合细菌能降低土壤样品中碳酸盐结合态的Cd。当pH为 5，6，7 和 8 时， 分别降低了 1.64%，3.53%，3.00%和0.9%。尤其是能明显降低pH 7土壤中的碳酸盐结合态Cd。重金属Cd的铁锰氧化物结合态，加光合细菌的土样所测出的Cd的浓度都大于对照；当 pH为 5，6，7和8时，分别升高0.46%，1.31%，3.65%和 3.09%。 因此，光合细菌在pH为7时能明显提高土壤中铁锰氧化物结合态的Cd。重金属Cd有机质结合态，加菌与对照相比，分别升高了 0.22%，0.12%和 0.74%，而 pH 为7时降低了0.31%。因此，光合细菌能提高土壤中的有机质结合态Cd。重金属Pb的残渣态，加光合细菌的土样所测出的Cd的浓度都大于对照；当pH 为 5，6，7 和 8 时，分别升高了 2.55%，3.76%，4.56%和1.39%。因此，光合细菌在pH为7时能最明显升高土壤中残渣态的Cd。

图1 不同pH值对土壤中镉各种形态分布的影响Fig.1 Effects on the distribution of soil cadmium at different pH

在不同的pH值的土壤环境中加菌后，重金属生物可利用性明显降低。当pH值为7时，最能降低生物可利用性的镉。

2.2 不同温度时土壤样品中镉各种形态的含量

在图2中B表示可交换态加菌，C表示可交换态对照；D表示碳酸盐结合态加菌，E表示碳酸盐结合态对照；F表示铁锰氧化物结合态加菌，G表示铁锰氧化物结合态对照；H表示有机质结合态加菌，I表示有机质结合态对照；J表示残渣态加菌，K表示残渣态对照。由图2可以看出，在温度不同时光合细菌对可交换态重金属Cd的影响，当温度为20℃时加菌比对照降低3.12%，25℃时降低了 1.04%，30℃时降低 4.09%，35℃时降低了6.52%，加入光合细菌重金属有变小的趋势。所以，当温度为35℃为光合细菌降低交换态的Cd。对碳酸盐结合态重金属Cd的影响，在温度为20℃时加菌比对照降低了2.29%，25℃时降低了3.55%，30℃时降低 2.39%，35℃时降低了 1.05%，而此时，当温度为25℃时光合细菌对碳酸盐结合态Cd的浓度影响最大。对铁锰氧化物结合态重金属Cd的影响，温度为20℃时加菌比对照升高0.64%，当温度为 25℃时降低了 0.87%，当温度为30℃时升高 2.75%， 而 35℃时降低了 0.19%，因此，当温度为30℃时为光合细菌对铁锰氧化物的Cd的最适合温度。对有机质结合态重金属Cd的影响，20℃时加菌比对照升高了0.43%，25℃时升高了 0.38%，30℃时升高了 0.18%，35℃时升高了4.74%，当温度为35℃时为光合细菌对有机质结合态的Cd的最适合温度。对残渣态重金属Cd的影响，温度为20℃时加菌比对照升高了4.74%，25℃时升高了 5.07%，30℃时升高了 3.83%，35℃时升高了2.68%。温度25℃是光合细菌对有机质结合态的Cd的最适合温度。

图2 不同温度值对土壤中镉各种形态分布的影响Fig.2 Effects on the distribution of soil cadmium at different temperature

在不同温度的土壤环境中温度在30～35℃之间加菌后的生物可利用性明显降低，土壤环境中加菌后的土壤在30～35℃之间的重金属迁移能力比不加菌的低。当改变温度时，温度为35℃时最佳，最能降低生物可利用性的重金属Cd，最能提高生物不可利用性的重金属Cd。

2.3 不同加菌量土壤样品中镉各种形态的含量

在图3中，B表示可交换态，C表示碳酸盐结合态，D表示铁锰氧化物结合态，E表示有机质结合态，F表示残渣态。由图3可以清晰地看出随着菌浓度的提高，光合细菌对重金属的影响最大，也间接说明了光合细菌是有转移重金属的能力。

图3 不同加菌量对土壤中镉各种形态分布的影响Fig.3 Effects on the distribution of soil cadmium in different concentration of PSB

由图3可以看出，在不同的菌浓度的土壤环境中，加菌的土样的生物可利用性明显降低（与对照组相比），浓度为106个／g土的时候生物可利用性最低。

从以上3个条件分析，总体趋势是加了光合细菌的土样比不加光合细菌的土样所测出的可交换态的重金属Cd和碳酸盐结合态的重金属Cd含量有所减少，铁锰氧化物结合态，有机质结合态，残渣态，加菌相对对照有所增加。前边减少的比例几乎与后变增加的比例相同。说明光合细菌影响了重金属的迁移能力。光合细菌影响土壤中重金属的最适的条件是，本实验是菌浓度为106个／g土，温度35℃，pH为7时，在这个条件下光合细菌影响重金属Cd最大。

4 结论

在不同pH值、温度、菌浓度条件下，光合细菌都能不同程度影响土壤中重金属镉的5种形态分布。

（1）当 pH 为 5，6，7 和 8时，加入光合细菌后，能降低可交换态、碳酸盐结合态的Cd，提高铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态的Cd，因此，Cd的生物可利用性明显降低，分别降低了3.85%、5.46%、7.59%和 5.00%。

（2）当温度为 20℃，25℃，30℃和 35℃时，重金属镉在温度为35℃时，光合细菌最能降低生物可利用性的重金属Cd，最能提高生物不可利用性的重金属Cd。

（3）当菌浓度不同时，随着菌种浓度越高影响重金属形态分布越大，并在菌浓度106个／g土时，影响最大。

［1］ Wong SC，Li XD，Zhang G，et al.Heavy metal in agricultural soils of the Pearl River Delta ［J］.South China Environ Pollut， 2002， 119：33-44.

［2］ 邱莉萍，张兴昌.Cu、Zn、Cd和 EDTA对土壤酶活性影响的研究 ［J］.农业环境科学学报，2006， 25（1）：30-33.

［3］ 李俊峰，王梦亮.光合细菌对农田生态系统的影响［J］.山西农业科学， 2002， 30（1）： 52-56.

［4］ 姚竹云，张肇铭.几株光合细菌的表型特征及DNADNA同源性分析［J］.应用与环境生物学报，1996，2（1）： 84-89.

［5］ TessierA，CamPbellP GC，BissonM.Sequential extraction procedure for the speciation of particulate tracemetal［J］.Analytical Chemistry， 1979， 51（7）： 844-851.

［6］T.G.Kazi， M.K.Jamali.An ultrasonic assisted extraction method to release heavy metals from untreated sewage sludge samples［J］.Chemosphere，2006， 63：411-420.

Effects on Distribution of Soil Cadmium Using Photosynthetic Bacteria

XIAO Gen-Lin，BAI Hong-Juan，JIA Wan-Li
（College of Chemical＆ Environment Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The influences of the distribution of soil cadmium in different soil physical and chemical factors using the photosynthetic bacteria （Rhodobacter sphaeroides） were analyzed in this study.The results showed that the optimum conditions for influencing the distribution of soil cadmium were pH7.0， temperature at 35？ C and the amount bacteria of 106 ／g soil.Under the optimal conditions， photosynthetic bacteria could reduce the content of bioavailability of cadmium largely and increased the content of biological non-use of cadmium greatly.Therefore，photosynthetic bacteria could obviously change the content of various forms of soil cadmium，could improve the quality of crops.The result could provide the experimental basis for popularizing and applying the remediation technology of heavy metals polluted soils using the photosynthetic bacteria.

photosynthetic bacteria；soil； cadmium；distribution

X 53

A

1671-9905（2011）03-0043-03

肖根林，男，汉族，江西萍乡市，中北大学在读硕士，研究方向：资源化利用与清洁生产

2010-12-01