多环芳烃胁迫下根系分泌物对根际微生物降解效能的影响

潘声旺, 刘　灿， 黄方玉， 李亚阑， 唐海云， 杨　婷

(成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都　610106)



多环芳烃胁迫下根系分泌物对根际微生物降解效能的影响

潘声旺, 刘灿， 黄方玉， 李亚阑， 唐海云， 杨婷

(成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都610106)

摘要：借助盆栽模拟试验，研究了多环芳烃胁迫下黑麦草根系分泌物质对根际微生物降解效能的影响.结果显示：在试验浓度为0～343.61 mg·kg(-1)范围内，根系分泌物—土壤微生物系统(TR2) 对多环芳烃代表物菲的去除效果具有明显的促进作用.3个处理中，TR2对菲的去除率最高(77.57%)，比对照组(CK)高33.49%，比添加NaN3系统(TR1)高58.16%.借助细菌计数法对根际微生物数量的检测结果则显示，相同污染水平下，TR2系统里微生物数量最多，CK次之，TR1最少.试验表明，黑麦草根系分泌物对根际微生物降解效应的促进作用可能与根际微生物种群数量的变化有关，即根系分泌物的存在促进了根际微生物种群数量的提高，进而强化了根际微生物的降解效能.

关键词：多环芳烃；黑麦草；根系分泌物；根际微生物

0引言

多环芳烃(polycyclic aromatichydrocarbons，PAHs)是环境中普遍存在的一类持久性有机污染物，且多数具有致畸、致癌、致突变的“三致”作用.因其性质稳定、水溶性差，其在环境中的含量逐年上升.在我国，农田土壤PAHs 背景值平均在10～20 μg·kg-1，部分区域已达到102～104 μg·kg-1，修复土壤PAHs污染已成为环境科研领域的热点问题[1].与其他修复技术相比较，有机物污染土壤的植物修复技术具有高效、价廉、环境友好、无二次污染等特性[2]，十分符合现今环境治理的要求.植物修复有机污染的方式主要有污染物降解和稳定化2大类，分别通过植物提取、植物挥发、植物降解和植物稳定化等途径完成.植物修复过程中，大约有20%有机污染物被同化，其余80%则被根际微生物降解[3].研究已证实，修复植物的根系分泌物质在形成土壤结构，活化土壤养分，缓解环境胁迫等方面都具有重要作用[4-5]，同时其也为根际微生物提供重要的营养和能量物质，并对根际微生物的数量、种类及其活性产生影响[6].鉴于此，本研究拟以多环芳烃类的菲为PAHs代表物，以黑麦草(Lolium multiforum)为研究对象，系统研究PAHs胁迫下，黑麦草的根系分泌物对根际微生物降解效应的影响，拟为植物修复技术的深入研究与实践提供参考.

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1土壤.

供试土壤为中性紫色土，采自成都大学十陵校区旱地表层，取样深度为5～15 cm.新鲜土样去除石子和植物残体后分为2部分：一部分直接过9 mm筛后混合均匀，供盆栽培养植物用；另一部分风干后研磨过2.5 mm筛，用于土壤基本性质测定[7].经检测，供试土壤的理化性质为：pH值为7.41，有机质含量1.05%，阳离子交换量(CEC)20.37 cmol·kg-1，完全可用作模拟修复试验.

1.1.2植物.

选取修复效果较好的黑麦草为供试植物，其幼苗采自成都大学无PAHs污染的草坪及其周边地区，选择周龄大小相当的植株，先用3%双氧水消毒，再用蒸馏水清洗其根部后作移栽使用.

1.1.3仪器.

试验所用仪器包括：KH-250DB型数控超声波清洗器(昆山禾创超声仪器有限公司)，DHP-9080B型电热恒温培养箱(上海琅轩实验设备有限公司)，80-2型低速离心机(江苏金坛正基仪器有限公司)，ESJ200-4型电子天平(沈阳龙腾电子有限公司)，DHG-9426型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)，高压蒸气灭菌锅等.

1.1.4试剂.

试验所用试剂包括：菲、氯化钾、氯化钠、氢氧化钠、甲醇、硅胶、二氯甲烷、丙酮、无水硫酸钠、正己烷、无水乙醇均为分析纯，购自成都市科农化工试剂厂；牛肉膏、蛋白胨、琼脂(市售)等.

1.2试验方法

试验中采用土培法进行黑麦草根系培养[8]，待培养40 d后，利用水培法[9]对黑麦草植株进行PAHs胁迫处理，收集根系分泌物.

依照一定浓度梯度分别称取5组不同量的菲溶于丙酮溶液中，均匀洒在土壤表层，待丙酮挥发后，多次搅拌，混匀，黑色塑料袋封口、加盖，室温下平衡7 d.利用分光光度法测定土壤中菲的初始浓度分别为66.67 mg·kg-1(C1)、138.47 mg·kg-1(C2)、205.14 mg·kg-1(C3)、282.07 mg·kg-1(C4)、343.61 mg·kg-1(C5).

模拟修复试验设计3个处理，5个重复：处理一(对照组，CK1)，PAHs污染土样；处理二(TR1)，加入0.05%的NaN3(抑制微生物活性[8])的PAHs污染土样；处理三(TR2)，加入黑麦草根系分泌物的PAHs污染土样.各处理温室平衡7 d后，分别检测土壤中菲的残留浓度.

精确称量牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、琼脂20 g配制成培养基溶液，用10 mol·L-1NaOH将pH值调制在7左右，将加热溶解后的培养基趁热分装于5个三角锥形瓶中，分装量不得超过锥形瓶的三分之二，分别加塞并在0.103 MPa、121 ℃条件下，20 min高压蒸汽灭菌.将灭菌后的培养基在没有凝固之前倒入同样灭菌的平板(共288套)中，利用混菌法分别对不同处理各个污染水平的根际土壤悬液接种，共15组，另设无PAHs污染土样为对照组(CK2)，按照一定浓度梯度(取0、10、20、30、40、50 mL根系分泌物浓缩液定容至50 mL)分别向含16组平板中加入2 mL黑麦草根系分泌物，各设置3个平行.20 ℃下无菌培养箱中恒温培养7 d后，计算各自菌落数.

1.3数据处理

试验数据采用Excel 2007软件进行基础处理, 不同处理间的差异显著性借助SPSS 11.5软件LSD法分析.PAHs的去除率(R)计算公式为，

式中，C0代表土壤中PAHs初始浓度，Ct表示各处理下土壤中的残留浓度.

2结果与分析

2.1不同处理土壤中菲的去除率差异

模拟修复试验温室平衡7d后，CK、TR1、TR2处理所在土壤中PAHs的残留浓度与初始浓度关系如图1所示.

图1不同处理条件下土壤中菲的残留量

由图1可以看出，随着菲污染水平的增加，土壤中的残留浓度也相应增大；相同污染浓度下，土壤中菲的残留浓度表现为TR1>CK>TR2，差异明显(P>0.05).在去除效果上，土壤—微生物—根系分泌物系统(TR2)所在土壤中菲的去除率平均为77.57%；土壤微生物活性被抑制的土壤—微生物系统(TR1)所在土壤中菲的平均去除率为19.41%；土壤系统(CK)所在土壤菲的平均去除率为为44.08%，不同处理间差异明显(P>0.05).因自然光解、挥发、吸附等作用在植物修复过程中的贡献率相对较小[10]，TR2处理中菲的高去除率可能主要源自所添加的根系分泌物对土壤微生物降解的促进作用.

2.2根系分泌物添加量对土壤中菲的降解率影响

根系分泌物的添加量对菲的降解率的影响如图2所示.

图2根系分泌物添加量对土壤中菲的降解率的影响

由图2可以看出，土壤中菲的残留量随根系分泌物添加量的增加而减少，修复效果随根系分泌物添加量的增加而增强，添加量为30 mL时增幅最大.

2.3不同处理条件对土壤中细菌总数的影响

不同污染水平下3个处理中的主要降解菌(细菌)总数的变化情况如图3所示.

图3污染水平对细菌数的影响

由图3可看出，同一个污染水平下，细菌数最多的为TR2，CK次之，TR1最少.对比分析CK和TR2可知，根系分泌物的存在使得土壤修复系统中降解菌(细菌)总数增加.CK处理下的降解菌(细菌)总数明显少于TR2土壤中的降解菌(细菌)总数，说明根系分泌物的存在加快了细菌的生长代谢，使得土壤中降解菌(细菌)总数增多.相同处理中降解菌(细菌)总数则随着污染水平的增大而增加，其原因可能与高浓度的污染物存在能够为降解菌的生长提供更多的可利用的碳源有关.

2.4根系分泌物添加量对土壤中细菌总数的影响

相同污染水平(C3)下，TR2处理中不同根系分泌物添加量对细菌总数的影响如图4所示.

图4根系分泌物添加量对细菌数的影响

由图4可以看出，根系分泌物添加量越多，土壤修复系统中主要降解菌(细菌)总数就越多，说明根系分泌物的存在加快了细菌的生长代谢，使得土壤中的降解菌(细菌)总数增多.试验浓度范围内，在其他污染水平条件下，根系分泌物添加量对细菌总数的影响趋势C3污染水平下相同.

3讨论

本试验表明，黑麦草根系分泌物对PAHs代表物菲的降解有促进作用.土壤中菲的降解平衡7 d后，TR2处理(加入了黑麦草根系分泌物)所在土壤菲的降解率为77.57%，去除效果明显大于CK、TR1.相同污染水平下，TR2中主要降解菌(细菌)总数明显大于CK，说明根系分泌物对微生物的生长代谢有促进作用.相同污染水平下，土壤中主要降解菌(细菌)总数随根系分泌物添加量的增加而增加，说明根系分泌物为微生物的生长代谢提供了营养条件.当达到一定限值后，根系分泌物浓度对主要降解菌(细菌)总数的影响逐渐减小，这是因为土壤微生物对其自身的营养达到饱和.尽管土壤吸附、挥发、光解等过程也是土壤中菲的减少原因之一，但根系分泌物—微生物之间的交互作用则是修复土壤菲污染的主要途径[10].

本试验中，TR1中菲浓度的降低主要是非生物(挥发、光解、土壤吸附等)作用的结果，但非生物因素的去除不是主要的原因，仅占19.41%.而CK中菲浓度的降低主要有2方面原因：第一，土壤中固有微生物分解即原著微生物的降解作用，这部分作用贡献率可用TR1的平均去除率减去CK的平均去除率得到，原著微生物降解作用为24.67%，可见原著微生物的去除也不是系统中菲减少的主要原因；第二，非生物作用(挥发、光解、土壤吸附)的结果，这部分作用与TR1的去除率相同，为19.41%.对比分析CK与TR1可知，微生物作用为24.67%，非生物因素作用为19.41%，污染土壤中微生物降解菲效果高于非生物因素，CK处理土壤比TR1处理土壤多降解的菲为微生物作用结果.TR2中菲浓度的降低是土壤微生物分解、非生物作用(挥发、光解、土壤吸附等)与根系分泌物对根际微生物降解效能促进作用三者共同作用的结果.其中，根系分泌物与微生物共同作用为77.57%，根系分泌物促进微生物降解为33.49%.对比分析3个处理下土壤中菲的残留量可知，土壤微生物对PAHs代表物菲有降解效果，黑麦草根系分泌物对PAHs的降解具有促进作用.

此外，相同的污染水平下，土壤中菌落数随根系分泌物添加量的增加而增加，达到一定限值后增加趋势减小，主要原因是根系分泌物的存在为微生物的生长提供了能量，加快了微生物生长代谢的速度，土壤中微生物数量迅速增加，其降解率也就相应增加.可见，在整个过程中，根系分泌物起到了增加微生物的数量和提高微生物降解效能的作用.同时，土壤中的根系分泌物含量达到一定值后，即超过了微生物所需的能量，则根系分泌物对微生物的影响也减小.也就是说，根系分泌物达到一定的范围后，微生物生长代谢所需营养达到饱和，此时根系分泌物添加量对降解菌数目的影响减小.

4结论

植物修复过程中，根系分泌物对根际微生物的降解效能具有促进作用.在7d的修复平衡试验中，约有77.57%的菲被降解,但非生物因子作用仅占土壤中菲总量的19.41%，微生物作用占44.08%，根系分泌物—微生物协同作用比微生物单独作用菲的残留量低33.49%.根系分泌物的存在为微生物生长代谢提供营养和能量物质，代谢活性加快，微生物种群数量增多，进而强化了根际微生物的降解效能，提高了土壤中PAHs降解率.

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Influence of Root Exudates on Efficiency of Rhizosphere Microbial Degradation under PAHs Stress

PANShengwang，LIUCan，HUANGFangyu，LIYalan，TANGHaiyun，YANGTing

(School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University， Chengdu 610106, China)

Abstract：Pot simulation tests are carried out to investigate the influence of ryegrass root exudates on the efficiency of rhizosphere microbial degradation under PAHs stress.The results show that the root exudates and soil microorganism system (TR2) has a significant facilitation on the removal of phenanthrene which is a representative of polycyclic aromatic hydrocarbons when the test concentration is within the area of 0～343.61mg·kg(-1).Among three different treatments,the removal rate of phenanthrene in root exudates-soil microorganism system is the highest,77.57%,33.49% higher than that of the compared group (CK) and 58.16% higher than the system (TR1) with addition of NaN3.By using bacteria counting method,the paper tests the rhizosphere microbial quantity.The results show that under the same pollution level,TR2 system has the largest number of microorganism,and then comes the CK system.TR1 system has the least microorganism.The tests illustrate that the facilitation function of ryegrass root exudates on the rhizosphere microbial degradation might be related to the change of the quantity of the rhizosphere microbial communities.The existence of root exudates promotes the increase of the number of rhizosphere microbial quantity and then improves the degradation ability of rhizosphere microorganism.

Key words：polycyclic aromatic hydrocarbons;ryegrass;root exudates;rhizosphere microorganism

中图分类号：X172；Q939.9

文献标志码：A

作者简介：潘声旺(1973 — )， 男， 博士， 副教授， 从事环境生态与生态修复技术研究.

收稿日期：2016-01-10.

文章编号：1004-5422(2016)01-0086-04