硒对砷污染土壤中丛枝菌根真菌生长的影响

胡 良，刘 瑜，钟智遥，樊后保，熊润国，胡 卓，王香莲，高桂青

(1.南昌工程学院 江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，江西 南昌 330099；2.江西生物科技职业学院，江西 南昌 330200)

土壤微生物的数量、种群及活动强度会随着土壤质量和环境的改变而发生变化，微生物的数量和群落结构情况是判别土壤质量和肥力大小的重要方式之一。土壤生态系统中的微生物按其形态特征主要分为放线菌(Actinomycetes)、真菌(Fungi)、细菌(Bacteria)三大类群。丛枝菌根真菌(AMF)是在自然和农业生态系统中广泛存在的一类专性共生土壤微生物，能够与80%左右的陆地植物建立共生关系[1]。AMF具有重要的生态学功能，比如，可缓解气候变化对农作物的不利影响，改善土壤结构和减少土壤养分流失，可通过清除环境中的重金属与放射性核素和增强植物的抗逆性来提高植物的生产力[2]。重金属污染物或外源物质(如砷、硒)进入土壤和植物后，会和微生物一起参与相关的生物化学作用，引起土壤酶活性的变化，改变土壤微生物量和群落，激起植物体内抗氧化酶的改变，从而改变土壤的环境质量和农作物的生长及其产量[3]。

AMF可影响植物对硒的吸收，根据菌根种类、植物以及施硒的种类不同而各有差别。比如AMF能显著提高大蒜中的硒含量[4]，接种Gm可有利于丹参对硒的吸收，接种Ge则抑制硒的吸收[5]。接种GC可显著提高玉米中的硒含量，接种Gm则抑制玉米对硒的吸收[6]。研究表明，丛枝菌根真菌可应用于砷污染土壤的修复，表现为改变土壤的pH值，影响土壤磷酸酶活性，改变土壤砷的生物有效性，从而影响植物和土壤中砷的累积和赋存形态。土壤被砷污染后，AMF的生长、侵染以及多样性都会受到影响，且AMF也会改变土壤中砷的形态和转化，影响植物对砷的吸收[7]。前期的研究多集中于接种AMF对植物和土壤中砷或硒含量的改变及其作用，而缺乏硒对砷污染土壤中AMF生长的影响研究，因此本文开展无机硒和有机硒对砷污染土壤中AMF生长的调控和差异比较研究，以此为砷、硒与AMF的相互作用以及为农业砷污染土壤防治提供相关数据支撑。

1 实验与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自南昌市东郊菜地0 ～20 cm层深，风干后过2 mm筛，土壤的理化性质如下：有机质含量和pH值分别为16.22(g·kg-1)和4.9。砷和硒的含量分别为11.32(mg·kg-1)，0.53(mg·kg-1)。碱解氮、速效磷和效钾的含量分别为137.83(mg·kg-1)、 5.61(mg·kg-1)和67.32(mg·kg-1)。

1.2 土壤培养试验

土壤培养试验在温室内开展，盆子大小为：口径21 cm × 高18 cm，每个盆子称取土壤质量为3.0 kg。采用人工添加亚砷酸钠As(III)模拟砷污染土壤，添加的砷浓度为0(mg As kg-1)(0As)，10(mg As kg-1)(10As)，30(mg As kg-1)(30As)。再分别添加无机硒(Se(IV)和Se(VI))，有机硒(酵母硒(Se-Y)和麦芽硒(Se-M))。添加各种硒的浓度(以Se计)分别为0(mg Se kg-1)(0Se)、1(mg Se kg-1)(1Se)、3(mg Se kg-1)(3Se)、6(mg Se kg-1)(6Se)、12(mg Se kg-1)(12Se)、24(mg Se kg-1)(24Se)。土壤培养试验共设63个处理，每个处理设置3个重复，详细试验处理见表1。

表1 土壤培养试验设计

1.3 测定方法

土壤中微生物群落磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid，PLFA)提取和测定方法详见文献[8-9]。样品前处理主要包括磷脂提取、脂肪酸分离、甲基化和清洗等步骤。采用气相色谱仪(Agilent7890A，色谱柱型号为(19091B-102，MIDI))和磷脂脂肪酸软件数据库-全自动微生物鉴定系统(Version 4.5，MIDI SHERLOCKS，USA)鉴定并计算样品中的丛枝菌根真菌含量[9]，本实验鉴定的丛枝菌根真菌类别为16：1 w5c。

1.4 数据处理

数据处理、制图和统计采用Excel 2007，Origin 9.0等软件进行。

2 结果与讨论

2.1 不同硒形态施用对土壤中AMF含量的影响

如图1(a)所示，当施硒含量为12Se时，土壤中AMF的含量达到峰值。当加入Se(IV)的含量小于12Se时，AMF的含量随着施硒浓度的增多而增大。但是当施硒含量超过12Se时，AMF的含量则随着施硒量的增加而减小。该结果表明，适量低浓度的硒对土壤中AMF的生长表现为促进作用，但是高浓度的硒对土壤中AMF生长则表现为抑制作用。丛枝菌根真菌会影响土壤中磷酸酶活性，也会改变土壤砷的生物有效性，影响植物对砷的吸收[10-11]。总体看来，当土壤中含有砷时，AMF的含量均会比对照组少。这表明，砷污染土壤会导致土壤中的AMF含量减少，从而影响土壤中的微生物数量。研究表明，砷污染土壤与土壤中的微生物数量呈现显著负相关[12]，会改变微生物群落，降低土壤生物的多样性[13]。

由图1(b)可知，在Se(VI)处理条件下，土壤中的AMF会随着硒浓度的改变而改变。当施硒浓度为6Se时，AMF的含量达到峰值，在0As、10As、30As处理组中，峰值分别为0.56(nmol·g-1)、0.5(nmol·g-1)、0.43(nmol·g-1)，由此可见，AMF的含量大小顺序为：对照组>10As>30As。这表明，当土壤中含有低浓度的砷污染时，土壤中的AMF的含量会随着砷污染浓度的升高而下降。这是因为在重金属的胁迫下，AMF能通过自身作用向土壤中释放一些粘液、聚磷酸盐和有机酸等使其与重金属离子相结合[11]。同时，丛枝菌根会与土壤中的植物形成菌根共生体，在此情况下会合成某种蛋白与重金属相螯合[14]，这是丛林根菌对重金属污染土壤改善的一种直接作用(螯合作用)[11]。而有关研究表明，AMF在低浓度重金污染下促进植物吸收重金属，在高浓度重金属污染下会表现出相反的作用[15]。

从图1(c)中可以看出土壤中的AMF含量会随着施加的有机硒浓度的增加而升高，呈现递增的趋势。在未添加砷的土壤中，CK、1Se、3Se、6Se、12Se、24Se处理组中AMF的含量分别为0.35(nmol g-1)、0.43(nmol g-1)、0.47(nmol g-1)、0.56(nmol g-1)、0.79(nmol g-1)、0.83(nmol g-1)，其中在硒浓度为24Se时，AMF的含量达到最大值。10As和30As处理组中的AMF含量均低于无砷处理组，分别是无砷处理组的87%、76%。AMF的含量在24Se时达到最高值，AMF含量大小顺序为：0As(0.83 nmol g-1)>10As(0.72 nmol g-1)>30As(0.63 nmol g-1)。由此可见，AMF的含量会随着砷污染程度的增加而降低，这表明砷污染对土壤中的AMF有抑制作用，而施硒则会促进土壤中AMF的生长。有研究表明，施用有机硒能够提高土壤酶的活性，从而促进土壤中微生物的活性和物质循环[16]。硒与AMF的相互作用复杂，AMF可改变硒的吸附、络合作用或改变根系分泌物或pH值[17]。

图1 土壤AMF含量的大小比较

从图2中可以看出在0As处理中，土壤中的AMF含量随着施硒浓度的增加整体呈递增的趋势，在24Se条件下，AMF的含量达到最大值(0.59(nmol g-1))。在砷污染土壤中，土壤中的AMF含量显著下降，但是其AMF的含量随着施硒浓度的增加，整体上也呈现递增趋势，在24Se时达到最高值分别为0.59(nmol g-1)、0.50(nmol g-1)、0.41(nmol g-1)。上述结果表明，施硒会促进土壤中的AMF的含量，并且随着施硒浓度的增加而增大。

2.2 不同砷含量污染土壤中AMF含量的分布特征

图3显示了无砷污染土壤中的AMF在不同种类和不同浓度的硒处理时的含量大小比较。对照组中AMF的含量为0.35(nmol g-1)，不同种类的硒对土壤中AMF的含量的影响不同，其中Se(IV)和Se(VI)为无机硒，Se-Y和Se-M为有机硒，前后者的变化规律不一样。在无机硒处理中，AMF的含量呈现先增加后减小的趋势。在Se(VI)处理组，土壤中AMF的含量在0～6Se时呈现递增的趋势，但是当施硒浓度超过6Se时，AMF的含量呈现递减的趋势，在6Se时达到最大值(0.56(nmol g-1))。在Se(IV)组中，AMF的含量在0～12Se时呈现递增的趋势，当施硒浓度超过12Se时呈现递减的趋势，在12Se时达到最大值。在有机硒处理中，AMF的含量均呈现递增的趋势，都是在24Se时达到最大值。但是Se-Y的上升趋势明显大于Se-M的上升趋势，说明施加Se-M对土壤中AMF的生长促进作用大于Se-Y。

图2 麦芽硒(Se-M)处理下AMF含量的大小比较 图3 无砷污染土壤中AMF含量的大小比较

图4显示了10As污染土壤中的AMF在不同种类和不同浓度的硒处理时的含量大小比较。从图4中可以看出，在无机硒处理组中，Se(VI)处理的AMF含量大于Se(IV)处理组。当施硒的浓度为0～6Se时，AMF的含量呈现递增的趋势；当施硒浓度大于6Se时，土壤中AMF的含量呈现递减的趋势；当施硒浓度为6Se时，AMF含量达到峰值。在有机硒处理中，土壤中AMF的含量都是随着施硒浓度的增加而增大，并且Se-Y处理组的AMF的含量始终比Se-M处理组高。

图5显示了30As污染土壤中的AMF在不同种类和不同浓度的硒处理时的含量大小比较。从图5中可以得出，在无机硒处理组中，施硒浓度在0～6Se时AMF的含量呈递增的趋势；当施硒浓度超过6Se时，AMF的含量呈递减的趋势；在6Se时AMF的含量达到最大值。在有机硒处理组中，AMF的含量随着施硒浓度的增加而递增，在12Se时达到最大值。在0～6Se时，有机硒和无机硒的AMF含量差异不明显。当施硒的浓度小于6Se时，无机硒处理的AMF平均含量大于有机硒处理组的AMF平均含量，但是当硒浓度大于6Se时，有机硒处理组的AMF的平均含量大于无机硒处理组的AMF平均含量。

图4 10As污染土壤中AMF含量的大小比较 图5 30As污染土壤中AMF含量的大小比较

由以上结果可知，当施加Se(IV)和Se(VI)处理时，土壤中的AMF的含量均呈现先增后减的趋势，而当施加Se-Y和Se-M时，土壤中AMF的含量均呈现递增的趋势。这表明，有机硒比无机硒更适合促进土壤微生物的生长。在无砷污染的土壤中AMF的含量总是大于砷污染土壤中AMF的含量，随着砷污染程度的增加，土壤中的AMF含量逐渐下降。这表明硒和砷对土壤中的微生物的生长具有重要的影响。研究表明，微生物可影响砷的代谢，通过吸附固定、甲基化、氧化还原等作用来影响土壤中砷的有效性，达到砷污染防控的作用[18-19]。在污染物的影响下，植物—微生物—土壤系统中酶活性的变化对预测土壤—植物—微生物的相互作用，调控金属和养分的吸收，最终改善土壤健康和肥力具有重要意义[9]。相关研究表明，低浓度的无机硒对土壤中过氧化氢酶、脱氢酶、脲酶和碱性磷酸酶均有不同的激活作用，而高浓度硒对土壤中的4种酶则具有抑制作用[20]。在土壤中添加适量低浓度硒时，土壤中的AMF的含量逐渐增加；当施硒含量超过一定浓度时，土壤中的AMF含量则随着施硒浓度的增加而下降。这可能是因为，AMF通过直接与砷、硒作用，AMF可吸附砷和硒或形成“区室化”，从而影响其在土壤和植物中的迁移和转化[7，21]。

3 结论和展望

适量施硒可促进土壤中AMF的生长，AMF含量随着施硒浓度的增加而增大，当土壤中含有低浓度的砷污染时，土壤中的AMF的含量会随着砷污染浓度的升高而下降。有机硒比无机硒更有利于促进土壤中AMF的生长，使用相同剂量的有机硒比无机硒对土壤AMF含量的影响更大。在农业生产过程中，对于砷污染的土壤，通过适当的补硒可以有效地增加土壤中的AMF真菌含量，提高农作物的抗逆性。