不同根际促生菌对亚麻镉砷富集及植株生长的影响

2021-09-25王元昌李洁王玉富赵信林邱财生龙松华郭媛

中国麻业科学 2021年4期

王元昌，李洁，王玉富，赵信林，邱财生，龙松华，郭媛*

(1.中国农业科学院麻类研究所/中国农业科学院南方经济作物研究中心，湖南长沙 410205;2.中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室，北京 100101)

由于矿山开采和化肥农药的过量使用，中国农田土壤重金属污染日益严重。据《2019年中国土壤环境质量报告》农用地土壤污染状况详查结果显示，全国农用地土壤环境状况总体稳定，影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属，全国土壤重金属总超标率为16.1%，其中中国南方农田污染以重金属为主要污染源[1]。农田污染的重金属元素主要有铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)和铜(Cu)以及类金属元素砷(As)，其中Pb和Cd是最主要的重金属污染物[2]。Cd与As等其他重金属元素共同造成复合污染，对植物的生长发育产生严重影响，造成难以估量的经济损失[3]。利用经济作物对重金属污染农田进行绿色修复是一种边修复边利用的比较理想的方法，可以在收获经济作物的同时治理污染土壤，同时带来经济、社会和环境效益[4-5]。因此，在重金属污染地区种植非食用和非饲用的经济作物成为产业结构调整的方向[6]。

亚麻(Linumusitatissimum.L)具有经济价值高、耐性强等优点。亚麻的主要产品为纤维，除了制作服装、室内装饰产品外，还可以应用于生产建筑复合材料[7]。植物修复是一种新型、非入侵性且为公众所接受的技术，能够在可持续修复污染土壤的同时生产工业用原料[8]。研究[9]表明，不同种类的作物在镉胁迫下所表现出的毒害症状差异较大。亚麻因其不进入食物链、对重金属胁迫的耐性较强[10]等特点，可作为重金属污染农田植物修复的潜力作物[11]。

植物根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)是指生活在土壤或附生在植物根围，对植物生长具有促进作用或对病原菌具有拮抗作用的有益菌的统称，具有固氮、溶磷、解钾等功能[12]。根际促生菌可以增加ACC 脱氨酶的活性，分解植物在逆境中产生的乙烯合成前体ACC，降低乙烯的浓度，从而缓和植物的不良反应。同时，根际促生菌也可以分泌生长素IAA、细胞分裂素CTK、赤霉素GA等多种植物激素来促进植物的生长[13]。研究根际促生菌对亚麻植物生长和富集重金属的影响，有助于阐明微生物菌根栽培调控措施与亚麻富集土壤重金属元素之间的关系，对利用亚麻进行重金属污染农田的修复具有重要意义[14]。

本研究拟通过盆栽试验研究4种植物根际促生菌对亚麻植株生长和对土壤中Cd、As富集的影响，以及Cd和As在植株体内的富集和转移特征，旨在为利用亚麻进行重金属污染农田的修复及后续的安全再利用提供理论和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自湖南省浏阳市矿山周围受重金属污染的农田，经测定其总Cd含量为6.34 mg/kg，有效态Cd含量在2.01～5.05 mg/kg，As含量为462 mg/kg，有机质含量平均为 37.0 g/kg，pH为6.2。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)，确定该农田属于重度Cd、As复合污染农田。

供试亚麻品种为中亚1号，是由中国农业科学院麻类研究所选育的中早熟纤维用亚麻品种，株高95～105 cm，原茎产量依据不同产地情况可达6～11 t/hm2，适合全国绝大部分产区种植，具有较强的抗倒伏特性。

供试的4种菌剂分别为施菌、产菌、GY16和C5-3。施菌为施氏假单胞菌简称，产菌为产朊假丝酵母菌简称，GY16为枯草芽孢杆菌简称，C5-3为恶臭假单胞菌简称。

1.2 试验方法

将采集回的农田土壤样品进行前处理，去除土壤中的大石块和植物残体等，然后将土壤风干，过2 mm筛。将所有土壤样品充分混匀后装盆，盆子直径25 cm，高30 cm。每盆装土6.5 kg，播种前先取出一部分土，待将亚麻种子均匀撒在盆内后，再将取出的土覆盖到种子上，播种量为每盆150粒种子。播种前先进行菌剂处理，每盆均匀撒10 g泥炭土混合菌剂，出苗后重复进行菌剂处理一次。

收获后测定每盆亚麻植株的株数和鲜重，并在每盆中随机取10株测定其株高、茎粗和根长。然后将每盆内所有亚麻植株分为地下部和地上部两部分，烘干后分别称取其干重。生物量测定结束后，分别将根系与地上部放入纸袋中，于105 ℃烘箱中杀青30 min，75 ℃下烘干至恒重，称取干重后用不锈钢粉碎机粉碎备用。

土壤pH值测定：称取过100目筛的土样20 g，放入50 mL的烧杯中，加入去离子水20 mL，以玻璃棒搅拌1 min，使水土充分混合，静置30 min后用pHS-3C复合电极测定pH值。土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。

土壤和植物样品中重金属元素测定：土壤样品风干后磨细过2 mm网筛备用。称取0.5 g土壤样品采用HCl-HNO3-HF·H2O-HClO4全消解的方法，用原子吸收分光光度计(Z2310，Hitachi，日本)进行全Cd的测定。As含量的测定采用3HCl·HNO3消解，用原子吸收光谱仪(AFS-8230，Titan，中国)测定。土壤有效态Cd含量采用DTPA浸提-原子吸收分光光度计测定。亚麻植株样品的Cd含量和As含量通过HNO3-HClO4混合液消煮后采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS(X seriesⅡ))进行测定。土壤样品和植物样品分别以GB/T 17141—1997和GB/T 5009.15—2003为内标控制分析质量。

富集系数(bioconcentration factor，BCF)是植物体内的重金属含量与土壤中相应重金属含量的比值，反映植物从土壤中吸收重金属的能力。其计算公式为:

BCF=植株重金属含量(mg·kg-1)/土壤重金属含量(mg·kg-1)

转移系数(transportation factor，TF)是植物地上部重金属含量和植物地下部重金属含量的比值，反映植物吸收重金属后从根部转移到地上部的能力。其计算公式为:

TF=植株地上部重金属含量(mg·kg-1)/植株地下部重金属含量(mg·kg-1)

本试验以亚麻植株地上部的干重为权重计算植株地上部的重金属含量加权平均值，以此作为亚麻植株地上部的平均重金属含量，从而计算亚麻地上部的转移系数。

1.3 数据处理

文中图表中的数据均为6次重复的平均值，数据采用Microsoft Excel 2016处理，利用SPSS 22.0进行方差分析，并采用Duncan法在p=0.05显著水平上进行多重比较，最后用Origin 2019作图。

2 结果与分析

2.1 4种根际促生菌接种下亚麻的农艺性状

在产菌、施菌、GY16和C5-3 4种根际促生菌处理下，亚麻植株的株高、根长和茎粗与对照相比均有不同表现，施菌、GY16、C5-3这3种菌处理对亚麻的株高均有增高作用，其中G5-3处理下的株高值最大，增加了7.35 cm；4种菌剂处理下亚麻根长均明显增长，介于5.68～7.28 cm之间，其中产菌对亚麻根长的促进效果最为显著，增加了2.38 cm；对照和4种菌剂处理后亚麻茎粗介于0.57～0.66 mm之间，对照与各个处理间无显著性差异。

在产菌、施菌、GY16和C5-3 4种根际促生菌处理下，GY16菌剂处理下亚麻植株干重最大(2.68 g)，且地上部干重与其他处理间有显著差异。GY16菌剂处理下植株鲜重和株数指标大于其他3种菌剂和对照处理，与对照相比分别增加了9.72 g和1.75株。综上，GY16菌剂处理能使亚麻植株在株高、茎粗、干重、植株鲜重和株数等生物学指标上不同程度增加。

表1 4种根际促生菌对亚麻农艺性状的影响Table 1 Effects of fourkinds of rhizosphere promoting bacteria on agronomic characters of flax

2.2 4种根际促生菌处理下亚麻的重金属富集量

根际促生菌处理下，施菌对亚麻富集Cd有促进作用，其与对照相比根系Cd含量增加了3.6 mg/kg。GY16抑制了根部Cd吸收，其与对照相比根系Cd含量降低了5.38 mg/kg。亚麻在4种菌剂处理后，根部As含量均较对照(27.91 mg/kg)升高；除施菌菌剂外，地上部As含量均低于对照(2.92 mg/kg)。由图1、2可以看出，4种菌剂处理后亚麻根部Cd、As含量均高于茎部，使用施菌菌剂可以促进Cd、As在亚麻根系中的积累。

图1 根际促生菌对亚麻吸附土壤Cd的影响Fig.1 The effect of rhizosphere growth-promoting bacteria on the adsorption of soil Cd by flax

图2 根际促生菌对亚麻吸附土壤As的影响Fig.2 The effect of rhizosphere growth-promoting bacteria on the absorption of soil As by flax

2.3 不同菌剂处理下亚麻植株地上部和地下部Cd的富集能力与转运特征

由表2可知，在对照和施菌、产菌、GY16和C5-3 4种菌剂的处理下，除GY16地上部干重与对照无显著差异外，其他处理地上部干重与对照有显著差异，根部干重各处理与对照无显著差异。地上部的干重是地下部的2.74～5.87倍。4种菌剂处理下的亚麻地上部Cd富集量显著低于对照(22.48 mg)，比对照组富集量低6.93～8.35 mg，且各个处理间无显著差异；亚麻地下部Cd富集量与对照无显著差异，施菌菌剂处理的地下部Cd富集量最高(40.93 mg)。4种菌剂处理下，地上部重金属Cd富集系数均显著低于对照(3.54)，富集系数均在2.2以上。在施菌菌剂处理下，亚麻根部Cd富集量最大(40.93 mg)，平均比对照多富集3.60 mg。4种菌剂处理下的转移系数均低于对照，存在如下规律：GY16>C5-3>产菌>施菌。

表2 供试亚麻对重金属Cd的富集和转移特征Table 2 Enrichment and transfer characteristics of heavy metal Cd from flax tested

2.4 不同菌剂处理下亚麻植株地上部和地下部根对As的富集能力与转运特征

由表3可知，4种菌剂处理下亚麻根对重金属As的富集量均高于对照的27.91 mg，其中施菌处理后根部的富集量最大(79.83 mg)，比对照多吸附51.92 mg，但各个处理之间无明显差异。除施菌菌剂外，其他处理亚麻地上部重金属As的富集量均低于对照(2.92 mg)，其中施菌菌剂处理下的重金属As的富集量最大(5.73 mg)。4种菌剂处理下根部的富集系数无显著差异，且地上部富集系数均低于对照(0.0699)。4种菌剂处理后的转移系数存在如下规律：GY16>C5-3>产菌>施菌。

表3 供试亚麻对重金属As的富集和转移特征Table 3 Enrichment and transfer characteristics of heavy metal As from flax tested

3 讨论

研究表明，将根际促生菌应用于番茄、水稻、蒲公英和豆科牧草等农作物均能促进这些作物的生长。采用根际促生菌A25处理番茄可延缓番茄的衰老并提高番茄抵抗逆境的能力[15]；PGPR可以促进蒲公英生长和对重金属铬的耐性[16]；以根际促生菌各菌株溶磷能力差异筛选豆科牧草，从而获得溶无机磷菌株[17]；水稻育秧中加入植物根际促生菌WP8，其出苗率和茎叶干物重均有显著提升[18]。本研究结果显示，根际促生菌GY16可以促进重度Cd、As污染土壤中地上部和根的干物质积累，说明根际促生菌的加入可提高亚麻在Cd、As污染农田种植的生物产量，从而提高其对土壤的修复效率。一年生韧皮纤维作物如亚麻、红麻、黄麻和工业大麻等被用作土壤植物修复的研究对象，以评估其修复潜力[19-21]。针对亚麻的研究表明，在中度 Cd 污染土壤中种植亚麻，每公顷可清除最高50 g的Cd，亚麻对Cd的富集量高于工业大麻[22]，其根系重金属富集量高于茎秆，与红麻、水稻等作物有相似特点[23-24]。本研究中，4种根际促生菌处理均能促进亚麻根的生长，其中施菌的效果最显著，并且施菌处理在4种菌剂处理中有更大的生物量。亚麻根系是重金属吸附的主要器官，且亚麻收获时一般为带根收获，所以将施菌应用于亚麻修复土壤的生产实践中可以提高其修复效率。4种菌剂处理下重金属Cd富集系数均无显著差异，地上部的富集系数均在2.2以上，地下部分的富集系数均在5以上，4种菌剂处理的地上部转移系数均低于对照。综上所述，在植物修复工程应用中，亚麻联合施菌的方法对土壤重金属Cd、As的转移能力最佳。

本研究通过GY16菌剂处理发现，亚麻植株株高、株数、茎粗、干重、植株鲜重等生物学指标均有不同程度的提高。施菌菌剂的加入使Cd、As在亚麻根系的富集和转运能力良好，因此在实际生产中，可以将施菌菌剂应用于亚麻根部，促进其对重金属Cd、As的修复效率。在未来大田植物修复生产实践中，应选择重金属抗性较强的亚麻品种，同时加强修复植物根系微生物的研究，从而提高重金属污染农田的人为植物修复效率。

4种根际促生菌处理下亚麻植株的Cd、As含量与对照相比虽然有少量增加，但并无显著差异。这可能是因为盆栽所用的土壤为自然状态下的Cd、As污染土壤，未人工添加重金属元素，土壤中Cd、As含量未达到亚麻胁迫的阈值，从而导致对照和处理的植株Cd、As含量没有显著差异[25]。在未来的大田植物修复生产实践中，应选择重金属抗性较强的亚麻品种，同时加强修复植物根系的微生物研究，从而提高重金属污染农田的人为植物修复效率。

本研究通过测定根际促生菌处理下亚麻植株的农艺性状和重金属的吸附规律，验证根际促生菌对亚麻Cd、As富集的影响，但未研究其分子机制。后续研究将探讨根际促生菌在代谢、转录和基因组水平上调节植物对重金属胁迫的反应机制，以增强亚麻对Cd、As的耐受性。将16S rDNA序列与GenBank中报道的菌株序列进行比较获得被测菌株的生物学分类信息[26]，为后续分子机制研究提供帮助。由于试验为盆栽试验，在人工条件下对亚麻进行耐性检验，往往与野外实际情况存在差距，可能导致分析出现偏差，如果能延长试验周期，获得更加准确的试验数据，则能更好地指导生产。