土壤微生物对根际镉活化的影响研究

孙铭泽，于昕桐，廉梅花

土壤微生物对根际镉活化的影响研究

孙铭泽，于昕桐，廉梅花*

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

以镉（Cd）为研究对象，探讨灭菌与非灭菌不同条件下根际土壤微生物的差异对Cd活化及形态分布的影响。结果表明：非灭菌处理下植物根际土壤中微生物量碳和氮、微生物PLFA总量均显著增加，且溶解性Cd的含量相比灭菌时高。土壤溶液中Cd主要以有机络合态为主，研究结果可为Cd污染土壤的植物修复及调控提供科学依据。

土壤污染；镉；植物修复；微生物；灭菌

2014年“全国土壤污染调查公报”显示我国土壤环境质量堪忧，无机污染物中尤以重金属为主，其中Cd污染最严重[1]。重金属进入土壤后会影响植物生长并对人体健康产生危害，因此迫切须要开展污染土壤的修复工作。植物修复因其对土壤环境扰动小和成本低等优势逐渐成为修复重金属的有效途径[2]。利用超积累植物修复土壤重金属污染受土壤pH、氧化还原电位、溶解性有机质等理化性质、土著微生物和植物类型等因素影响，各因素的调控作用需要深入研究。

微生物在根际环境中发挥不可替代的作用[3]，植物根系活动向根际土壤中释放的根系分泌物可以为微生物提供营养和能量，而微生物在根际环境中的数量与种群也常常高于非根际[4]。根际土壤中重金属的活性改变与微生物和根系分泌物在根际环境中的变化息息相关，但目前活化相关机制仍有待进一步完善。本文拟以重金属Cd为研究对象，探讨东南景天与垂盆草根际微生物差异对Cd形态分布的影响，完善土壤中Cd的活化机制，研究结果可为受重金属污染土壤的修复调控提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 实验设计

实验所用土壤采自沈阳市东陵区沈阳农业大学试验田，土壤pH值为6.72，有机质质量分数 21.32 g·kg-1，土壤阳离子交换量17.08 cmol·kg-1，全镉质量分数0.13 mg·kg-1。供试土壤添加分析纯3CdSO4·8H2O制备污染土，使土壤全Cd质量分数为10 mg·kg-1，实验用植物包括两种，分别为超富集型东南景天和垂盆草。平衡稳定后的土壤分别做灭菌与不灭菌处理并晾干装盆待用。盆栽试验的阳光温室温度保持18~25 ℃，土壤含水量保持为田间最大持水量的60%~70%，盆栽试验每盆装土1 kg并移栽3株植物，每个处理4次重复。植物生长90 d后收获，获取根际与非根际土壤样品，并用无菌塑料袋包好，在4 ℃冰箱中保存。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤微生物量碳和氮的测定

采用氯仿熏蒸法对土壤微生物量碳和氮进行测定，主要操作步骤为：在培养皿中称相当于l0 g 干重的土壤，分别在50 mL小烧杯中放NaOH溶液和无乙醇氯仿，一起放入用凡士林密封的干燥器中。利用真空泵抽气使氯仿至少沸腾2 min，关闭干燥器的阀门，25 ℃的黑暗环境下静置24 h，同时设置未熏蒸样品作为对照；最后将土样移至离心管，使用硫酸钾溶液振荡并浸提30 min，之后分别用重铬酸钾氧化滴定和凯氏定氮法测定可溶性总碳和总氮。微生物量碳和氮分别用公式（1）和（2）计算：

式中：EC —熏蒸前后提取液中有机碳质量分数之差，KEC取0.45；

EN —熏蒸后提取液中总氮质量分数与对照提取液中氮质量分数的差值，KEN取0.54。

1.2.2 微生物磷脂脂肪酸（PLFA）的分析与测试

实验样品中PLFA的提取方法参照Frostegård Å等的方法进行[5]，采用GC-MS测试系统和Sherlock MIS4.5 系统分别进行测试和鉴定，细菌、真菌和放线菌特征PLFA的指示脂肪酸类别参考文献进行判定[6-7]。

1.2.3 土壤溶液的提取及主要离子测定

利用0.01 mol·L-1的KNO3溶液提取土壤溶液，具体提取方法详见文献[8]。土壤溶液中的主要离子K+、Na+、Ca2+、SO42-、NO3-、F-、Cl-、NO2-、PO43-等使用离子色谱仪进行测定，石墨炉原子吸收法测定土壤溶液中Cd质量分数，TOC分析仪测定溶解性有机碳（DOC）质量分数。

1.3 模型计算与数据分析

土壤溶液中Cd的形态利用Visual MINTEQ3.0 模型计算，模型输入参数包括土壤溶液pH值、DOC、Cd和主要离子浓度，其中Cd与溶解性有机质的络合形态由NICA-Donnan模型确定[9]。数据采用 SPSS 软件进行处理，Origin 9.0 进行制图。

2 结果与讨论

2.1 根际土壤生物量碳和氮的质量分数

表1为灭菌与非灭菌条件下土壤微生物量碳和微生物量氮的质量分数，可以看出在非灭菌时微生物量碳和氮的质量分数明显较灭菌时高，这可能与灭菌时土壤土著微生物细胞的代谢和功能受到影响、微生物的生存和活性受到抑制相关。非灭菌时，东南景天根际土壤微生物量碳和氮质量分数均最高，分别为163.4 mg·kg-1和79.1 mg·kg-1，比垂盆草分别高12.7%和18.2%。两者在非根际土壤中的质量分数差异并不显著，但两种处理下东南景天和垂盆草的根际土壤微生物量碳和氮质量分数显著高于非根际。

表1 土壤微生物量碳与氮质量分数

注：表中不同的大写字母代表同一种植物灭菌或非灭菌处理时存在显著性差异，不同小写字母代表灭菌或非灭菌处理时根际和非根际间微生物量存在显著性差异。

微生物是土壤有机质、养分转化与循环的动力，微生物量碳虽只占土壤总有机碳的1%~4%，但却占据微生物干物质的40%~45%，是微生物活性和数量的主要衡量指标之一[9]。作为土壤氮素的重要贮存库，微生物量氮可以调节土壤氮素的循环进程，并且在植物营养中也有重要作用。本研究中土壤微生物量碳和氮在植物根际的质量分数显著高于非根际，表明微生物的存在不仅可调节植物的生理生长状况，另一方面，植物生长过程中根系源源不断向根际释放的有机物会促进微生物的代谢，二者呈现相辅相成的关系[10]。这与TUOMINEN[11]等的研究结果一致，该研究对土壤进行灭菌处理后，土壤微生物量明显降低，但灭菌处理后土壤中微生物的灭活效果只能持续有限时间，其后随着植物的生长以及活性有机质的增加会促进微生物种群逐渐恢复，植物根系分泌物也为微生物的代谢提供必要的营养支持[12]。

2.2 土壤微生物群落特征

图1为土壤微生物总量和细菌、真菌和放线菌的特征PLFA含量，从图中可以看出，非灭菌条件下东南景天和垂盆草土壤微生物PLFA总量显著高于灭菌，且在根际土壤中的各特征PLFA含量显著高于非根际土壤[13]。两种植物相比，垂盆草的土壤微生物总量及不同特征PLFA含量明显比东南景天低。

微生物对不同作物在污染土壤中的生长及抗逆性起重要作用，主要通过影响土壤中重金属的转化和有机污染物的分解速度进而影响植物的生长与吸收，土壤灭菌处理会改变土壤的生物环境，在一定程度反映土壤原著微生物在根际的数量与组成特征。本研究表明，土壤灭菌处理明显使根际与非根际土壤中微生物PLFA的含量下降，且根际明显高于非根际，这与其他研究结果一致。LI[14]等研究5种植物在野外条件生长时的根际微生物特征表明，细菌数量在5种植物根际土壤中显著高于非根际。CARRASCO[15]等研究了不同植物在矿区生长时根际土壤微生物的群落结构特征，认为根际土壤微生物群落结构存在较大差异。李庭强[9]等研究发现超富集东南景天在矿山土壤和重度污染土生长后根际土壤中生物量碳均显著高于非富集型植物，这可能是因为Zn被东南景天吸收和转运的能力较强，从而缓解了Zn对微生物的毒害作用。

HE—东南景天；NHE—垂盆草。

2.3 土壤溶液中Cd的形态分布

土壤溶液中各主要离子浓度及pH值见文献[13]，土壤溶液中的pH值比非根际低，两种植物生长的根际土壤溶液中溶解性有机碳（DOC）质量分数明显比非根际高，这与前期研究结果一致[8]。灭菌条件下，总溶解性Cd质量分数较非灭菌时低，其他离子浓度差异不大。不同处理时两种植物土壤溶液中Cd的形态分布见图2，结果表明土壤溶液中Cd的形态分布表现为有机络合态＞自由离子态＞无机络合态。在相同条件下东南景天有机络合态Cd的比例比垂盆草高。

土壤有机物可以为其中的异养型微生物代谢提供必要的能量来源，微生物新陈代谢分泌的有机酸、氨基酸和质子会引起根际土壤pH下降并提高土壤溶解性有机碳的质量分数[16]。本文研究表明，根系活动分泌的根系分泌物可为微生物提供足够营养，非灭菌处理较灭菌时微生物的活性更强[17]，因此，非灭菌处理更利于土壤溶液中Cd的活化及溶解，其可溶性Cd质量分数更高。李庭强[9]研究表明，东南景天根际微生物不仅可分解大分子化合物，还能分泌出质子等物质，这些物质可通过与重金属的有机络合作用调节金属在土壤中的再分配过程，促进根际重金属的活化。WHITING[18]等指出根际细菌和真菌产生的H+以及有机酸物质对金属的活化具有重要作用，可以提高重金属的生物有效性。DE SOUZA[19]等通过抗生素的抑制试验认为根际细菌可以影响植物吸收和挥发硒，并促进超富集植物对Se的挥发和积累量，二者分别提高35%、70%，接种根际细菌的实验进一步证实了根际微生物的重要作用。

3 结 论

非灭菌条件下，根际与非根际土壤微生物量碳和氮、微生物PLFA总量均显著高于灭菌处理，根际土壤溶液pH较非根际土壤低，且东南景天根际土壤溶液中DOC质量分数显著高于垂盆草。灭菌条件下，总溶解性Cd质量分数较非灭菌时低，其他离子浓度差异不大。模型计算结果表明土壤溶液中Cd 的形态分布表现为有机络合态＞自由离子 态＞无机络合态。相同条件下东南景天有机络合态比例较垂盆草高。

[1] 全国土壤污染状况调查公报[EB/OL].(2014-04-17). http://www.zhb.gov. cn/gkml/hbb/qt/201404/t20140417_270670.htm.

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Influence of Soil Microorganisms on the Activation of Cd

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（School of Environmental and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China)

Taking cadmium (Cd) as the research object, the effect of the differences in rhizosphere soil microorganisms on the activation and form distribution of Cd under different sterilized and non-sterilized conditions was investigated. Study results showed that the microbial biomass carbon, nitrogen and total microbial PLFA in rhizosphere soil of the two plants under non-sterilization treatment significantly increased. Compared with sterilization, the content of total soluble Cd was higher than that under sterilization. Moreover, the results of model calculation showed that Cd in soil solution mainly existed as organic complex state. Research results can provide scientific basis for phytoremediation and regulation of Cd contaminated soil.

Soil contamination; Cadmium; Phytoremediation; Microorganism; Sterilization

辽宁省教育厅“青年科技人才育苗”项目（项目编号：LG201923）；沈阳理工大学引进高层次人才项目（项目编号：1050002000616）；大学生创新创业计划（项目编号：20191044089）。

2020-10-15

孙铭泽（1997-），男，辽宁省沈阳市人，硕士研究生，研究方向：土壤修复。

廉梅花（1983-），女，讲师，博士，研究方向：土壤重金属迁移转化及修复技术。

X131.3

A

1004-0935（2020）12-1455-04