鱼腥草 根际微生物.pdf

第41卷 第2期四 川 大 学 学 报(工 程 科 学 版)Vol.41 No.22009年3月JOURNAL OF SI CHUAN UN I VERSI TY(ENGI NEER I NG SCIE NCE ED I TI ON)Mar.2009 文章编号:100923087(2009)0220120205根 际 微 生 物 促 进 下 鱼 腥 草 对 镉 的 富 集 作 用陈文清31,2,侯伶龙1,2,刘 琛1,3,张 爽1,2(1.四川大学 建筑与环境学院,四川 成都610065;2.四川大学 川大-日立环境应用技术研究中心,四川 成都610065;3.四川大学 国家烟气脱硫工程技术研究中心,四川 成都610065)摘 要:探讨了鱼腥草在根际微生物的促进下对土壤镉的富集作用。研究表明当土壤中镉(Cadmium)含量在5 mgkg-1时,鱼腥草(Houttuynia cordata,HCT)对镉的富集率为2.86%,镉含量为10 mgkg-1时富集率1.63%,鱼腥草对镉的吸收量最高可以达到培养前自身镉浓度的200倍(培养前鱼腥草镉含量0.1146 mgkg-1,培养后最高达24.44 mgkg-1),说明鱼腥草对镉有很强的富集作用。研究中还发现,细菌、霉菌对镉的耐性很弱,而培养初期放线菌对镉的耐性很强,较高浓度镉可能刺激了放线菌的大量生长。并且在鱼腥草根系和微生物的联合作用下,土壤微生态系统能够保持较好的稳定性。因此植物-微生物联合修复重金属污染土壤技术,可以实现土壤的生态修复,拥有很大的应用前景。关键词:鱼腥草;镉;植物修复;超富集;放线菌中图分类号:X503.23文献标识码:AAccum ulation of Cadm ium Stim ulated by Rhizospher ic M icrobesi n Soil byHuttuynia CordataCHEN Wen2qing1,2,HOU Ling2long1,2,LI U Chen1,3,ZHANG Shuang1,2(1.A rchitecture&Environment School,Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China;2.SCU-H IT ACHI Envir onment Applied Technology Research Centre,SichuanUniv.,Chengdu 610065,China;3.State Technol.Research Center of Flue GasD esulphuration Eng.,Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China)Abstract:Houttuynia cordataThunb(HCT)is selected to absorb Cadmium from soilpolluted by Cadmiu m serious2ly.The p resent study shows HCTs hy per accumulation to Cadmium in soil,and the important rolesm icrobialp layin the process of absorp tion.The accumulation rate is 2.86%when Cadmiums content is 5 mgkg-1in soil,while 1.63%when Cadm iu ms content is 10 mgkg-1.After 72 daysgrowth,the numberof bacteria in soil isapproxi mately a quarter of that existed before cultivation,so is the number ofmildew.But the number of actinomy2ces increases numerously just when Cadmiu m was added,and then back to the former level.On the combinedeffect of HCT and rhizospheric microbes,soil microecosystem could maintain stability well.But a further researchof interaction mechanism among HCTs rhizosphere,actinomyces and Cadmium,is needed.The technology ofcombined remediation of plant and microbial on heavy metal contaminated soil could really achieve from the per2spective of ecological restoration of soil,will have a great p rospect.Key words:Houttuynia cordatathunb;cadmium;phytoremediation;baccumulation;actinomycosis收稿日期:2008-07-20基金项目:高等学校学科创新引智计划资助项目(B08037)作者简介陈文清(6)女,副教授 研究方向 环境工程3 通讯联系人:19 9-.:.生物修复是利用生物将环境中污染物现场去除或降解的工程技术系统 1,具有投资费用低、能有效降低污染物浓度、不产生二次污染等优势。目前,我国镉、铅等重金属污染是一个重大的环境问题 2,重金属在土壤中滞留时间长、不易被微生物降解,并可经水、植物等介质转移积累,最终影响人类健康 3。研究表明,所有重金属污染中,镉对人体的危害仅次于汞和铅。当前对汞和铅的研究较多,而对镉的研究偏少。在目前发现的400多种超富集植物中,仅仅发现了镉元素的几种超富集植物,如商陆 4、水葱 5、美人蕉 6、宝山堇菜 7等。因此,发现和证实新的重金属超富集植物,特别是镉富集植物对于推动镉污染土壤植物修复具有重要意义。鱼腥草(Houttuynia cordataThunb,HCT)是三白草科植物,具有生长旺盛,繁殖能力强,适应性强等特点。且研究表明 8鱼腥草对铅有较高富集效果。基于鱼腥草的这些特点,本研究拟探讨该植物对镉的富集作用,同时考察土壤中的细菌、放线菌、霉菌数量的变化,以及土壤理化性质的变化,为植物和微生物联合修复土壤重金属污染提供实验依据。1 实验部分1.1材料来源及预处理供试土壤和鱼腥草均采自成都市郫县安德镇生态农业示范田,处于东经104.06,北纬30.67,这是一个兰草温室大棚,土壤的含水率较高,土壤温度随四季变化不大,其土壤理化性质见表1。鱼腥草是生长在大棚土壤里的杂草,采集时尽量保证植株根系的完整。表1实验土壤基本理化性质Tab.1Basic physica land chem ica lproper ties of the soil物质的成份/(mgkg-1)w(A s)w(Cd)w(Cr)w(Cu)w(Pb)交换性钾有效磷w(T-N)CEC有机质pH数值3.410.2344.4424.3513.4682.6741.421.0010.0720.326.33 栽种花盆分成6组,每个花盆盛900g土壤,采用6组平行样(配样方案见表2)。加入硫酸镉(分析纯,3CdSO48H2O)溶液,将其与土壤充分混匀。鱼腥草70 mm埋于土内,露出部分10 mm。表2配样方案Tab.2The program of samp lesprepara tion加镉量/(mgkg-1)是否栽植鱼腥草平行组数A5是6B5否6C10是6D10否6R110是6R20否61.2 培养方案土壤和鱼腥草经预处理栽植后,每天浇适量水,以不渗出为度。在第12天、45天、72天测定土壤中镉的含量,细菌、霉菌和放线菌的数量及土壤溶液的pH值。采样方法如图1,将样品洗净烘干2 h,研磨粉碎待测。将采集的土样烘干2 h,研磨过筛(60目),干燥保存。图1 采样范围示意图F ig.1The scope of acqua i n ting sam ples1.3检测方法设备 和 仪 器:PHS-3D型PH计,DGG-9203AD型电热恒温鼓风干燥箱,石墨炉原子吸收光谱仪等。主要药品:浓硝酸(AR),氢氟酸(AR),浓盐酸(AR),浓硫酸(AR),高氯酸(AR),DTPA浸提剂,磷酸氢二铵(AR)等。土样中微生物数量用平板法 9测定,土样中镉含量采用HNO3-HClO4-HF逐级酸化制成溶液再用石墨炉原子吸收光谱仪测定 10。121 第2期陈文清,等:根际微生物促进下鱼腥草对镉的富集作用2 结果与讨论2.1 土壤和鱼腥草中镉含量变化由图2可以看出,R1组土壤中镉含量与鱼腥草中镉含量(2条线几乎重合)在培养前后几乎没有变化。图2 土壤和鱼腥草中镉含量的变化F ig.2Cadm ium concen tration s in soil an d HCT土壤含镉量为5 mgkg-1时,在72 d培养期间鱼腥草中镉含量呈稳定上升(曲线Ahct)而土壤中镉含量呈稳定下降(曲线Asoil),富集率AR依据公式 11:AR=m2w2-m1w1m土w土式中,m1、m2、m土分别表示培养前后鱼腥草干重和每个花盆中的土壤重量,kg;m土=0.9 kg;w1、w2、w土表示培养前后鱼腥草中的镉含量和土壤中的镉含量,mgkg-1。可以算出:ARA=2.86%。当土壤含镉量为10 mgkg-1(C组)时,从培养开始至45 d为止,与A相比,鱼腥草中镉含量增加较快,增加速率大约为A组的2倍,在这之后至72 d期间,土壤中镉含量减少及鱼腥草中镉含量增加均转为缓慢,可以认为鱼腥草对镉的吸收渐趋饱和,富集率ARc达到了ARc=1.63%。2.2pH值的变化图3可以看出,由于每天所浇水为中性,R1和R2土壤pH值略向中性偏移。镉溶液加入土壤后,局部会出现镉离子多,出现过饱和,OH-减少,H+增加,使土壤pH迅速下降,相比于无鱼腥草的B、D两组,栽有鱼腥草的A、C两组的土壤pH值下降得较少,尔后逐渐恢复到参照组R1的水平。说明了鱼腥草的根系对土壤的pH值变化有缓冲作用。图3pH值随时间的变化Fig.3Change of pH in soil2.3土壤中放线菌数的变化从图4中可以看到,栽有鱼腥草的A、C组及没有栽种鱼腥草的低浓度镉B组在培养开始至第45天为止的这段期间放线菌数呈现上升,而没有载种鱼腥草高浓度D组在次期间呈现下降趋势。放线菌的适宜生长环境pH值为7.27.4。图3可以看出,A、B、C组土壤pH值大约在7.27.4之间,适宜放线菌生长,而D组土壤pH值扁中性,不适宜于线菌生长,从而数量呈下降趋势。研究表明 12适量的镉对微生物生长有促进作用,因此对于低浓度的A、B组,放线菌在培养前期的45天呈上升。对于高浓度的C组,由于鱼腥草根系吸附等作用,降低了土壤中镉浓度,使放线菌也呈上升趋势。图4 土壤中放线菌数量的变化F ig.4Population s of Actinomycete i n so il在培养了45 d之后,可以看到A、B、C、D组放线菌均呈现下降。罗素群 13研究发现,放线菌对镉的忍耐力很差,当液体培养基中镉含量高于20 mgkg-1时便几乎不能生存。可以推测,45 d之后,随着时间的推移,植物对土壤中镉的吸附速度逐渐降低,221四川大学学报(工程科学版)第41卷 且放线菌对镉的屏蔽作用也逐渐达到极限 12,使镉对放线菌的毒性逐渐增大,放线菌的生长受到抑制。2.4 土壤中细菌数的变化图5可以看出在培养前期的45 d,A、B、C、D组细菌数均呈减少趋势,且高浓度降低速度大于低浓度,无鱼腥草的实验组降低速度大于有鱼腥草的组。但是在培养后期细菌数基本保持不变,甚至部分略有回升,不仅显示出细菌对镉的耐性强于放线菌,而且可以推测较强抗镉细菌的存在。在所有抗镉菌类中细菌是被研究最多的一种,目前已发现多种抗镉细菌 14-15。图5 土壤中细菌数量的变化F ig.5Population s of Bacter ia in soil2.5土壤中霉菌数的变化如图6,可以看出A、B、C、D组霉菌数均呈减少趋势,说明霉菌对镉的耐性较弱。应娇妍 16发现在含镉100 mgL-1中生长的茎点霉菌细胞周围有大量含镉沉积物,这种沉积物可能会与镉被根系吸收有关,同时能促进土壤pH的大幅度上升,可见霉菌与镉有很强的相互作用,高浓度下镉对霉菌的拮抗作用更加明显。图6 土壤中霉菌数量的变化F6fM3 结 论通过研究可以看出,鱼腥草对镉含量在5 mgkg-1的土壤的富集率为2.86%;对镉含量为10 mgkg-1的土壤的富集率为1.63%,鱼腥草对镉的吸收最高可以达到本身镉浓度的200倍(培养前鱼腥草镉含量0.1146 mgkg-1,培养后最高达到24.44mgkg-1),富集能力不可小视。另外,实验研究结果还表明:1)鱼腥草对土壤中镉的吸收与镉浓度成正比,土壤中镉含量越高,吸收速度越快,鱼腥草中所含镉量越高;2)当土壤pH适宜、根系吸收镉量不大的时候,土壤中放线菌数量会增加;而当根系吸收镉逐渐达到饱和时,放线菌数量迅速下降;3)细菌和霉菌的耐镉能力较差,但是鱼腥草根系能明显改善根系微生物的生长环境,也能减弱镉对微生物的毒害作用。因此,土壤中的微生物、植物根系、镉元素三者在土壤生态环境中相互依赖和相互影响,一方面通过镉的选择作用,耐镉微生物得以存活下来;另一方面植物根系又在微生物对镉的转移作用下,加强了对镉的吸收,使镉能更容易地从土壤中被吸收到植物根部。对于镉元素与土壤中的微生物特别是放线菌之间的作用机理和植物根部与土壤微生物的相互影响,还需进一步研究。参考文献:1 孔繁翔.环境生物学M.北京:高等教育出版社,2000:361-365.2 熊治廷.环境生物学M.武汉:武汉大学出版社,2000:23-24.3Cui Dejie,Zhang Yulong.Heavy metal contamination ofsoiland restoration of the status quo Research Progress J.Soil Communications,2004,35(3):366-370.崔德杰,张玉龙.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展 J.土壤通报,2004,35(3):366-370.4Wu Shuangtao,Zhu Hui.Study on remed iation Cd pollu tionfyx2,6,()56吴双桃,朱慧 商陆修321 第2期陈文清,等:根际微生物促进下鱼腥草对镉的富集作用ig.Popula tion s oildew i n so ilsoil oph tolacca acino sa ro bJ.Hebei Chem ical Engneering20029 11:8-0.复镉污染土壤初探 J.河北化工,2006,29(11):58-60.5L i Shuo,L iu Yunguo,Li Yongli.The po tentialofCd accu2mulator herb,Scirpus tabernae montani G.forphytoremed2iation J.Envir onmental Pollution and Prevention,2006,28(2):84-86.李硕,刘云国,李永丽,等.水葱修复土壤镉污染潜力的研究.环境污染与防治 J.2006,28(2):84-86.6W u Shuangtao.Studiesof phytoremediation on Canna Gene2ralis for soil cadmuium pollution J.Industrial Safety andEnvironmental Pr o tection,2005,31(9):13-15.吴双桃.美人蕉在镉污染土壤中的植物修复研究J.工业安全与环保,2005,31(9):13-15.7L iu W ei,Shu Wensheng,Lan Chongyu.V iolabaoshanen2sis:a new hyperaccumulator for Cadmium J.Science Bul2letin.2003,48(19):2046-2049.刘威,束文圣,蓝崇钰.宝山堇菜-V iolabaoshanensis一种新的镉超富集植物J.科学通报,2003,48(19):2046-2049.8Wu Jun,Meng Xiaoxia,L i Kun,et al.Study on the rela2tionship s of accumulation of lead by Houttuynia cordataThunb positions and the chemical form of lead J.South2westChina JournalofAgriculture Sciences,2007,17:101-104.伍钧,孟晓霞,李昆,等.鱼腥草吸收累积铅与土壤铅形态的关系 J.西南农业学报,2007,17:101-104.9 中国科学院南京土壤研究所微生物室.土壤微生物研究法M.北京:科学出版社,1985.10 国家环境保护总局.中华人民共和国国家标准 土壤质量 铅、镉的测定 S.石墨炉原子吸收分光光度法 GB.ICS 13.080,Z18,GB/T 171411997.11Lu Yingang,Huang Jianguo,Teng Ying,Luo Yongshui.Growth and uptake response to Ni by hyp eraccumulatorp lantain J.Journalof Soil andW aterConservation,2004,2(18):108-111.陆引罡,黄建国,滕 应,罗永水.重金属富集 植物车前草对镍的响应J.水 土保持学报,2004,2(18):108-111.12Chen Suhua,Sun Tiehang,Zhou Q ixing,et al.Interactionbetween microorganisms and heavy methals and its app lica2tion J.Chinese Journal of App lied Ecology,2002,13(2):239-242.陈素华,孙铁珩,周启星,等.微生物与重金属间的相互作用及其应用研究J.应用生态学报,2002,13(2):239-242.13Luo Suqun,Zhang Xiaoqi,Chen Yinyi.Effection and bio2accumulation of cadmium,mercury,lead,chrome to actino2myces and aspergillusJ.Agricultural Environmentprotec2tion,1987,6(5):12-15.罗素群,张晓琦,陈颖怡.镉汞铅铬对放线菌曲霉菌的影响及生物累积J.农业环境保护,1987,6(5):12-15.14Duan Xuejun,M in Hang.Isolation,identif ication andpreliminary stud ieson the resistance gene detection of a Cd2resistingbacterium J.ActaScintiae Circumstantiae,2004,1(1):154-158.段学军,闵航.一株抗镉细菌的分离鉴定及其抗性基因定位的初步研究 J.环境科学学报,2004,1(1):154-158.15Duan Xuejun,Min Hang.Response of bacteria in oxida2tive stress by Cd J.Journal of Safety and Environment,2005,5(2):50-53.段学军,闵航.稻田土壤细菌对重金属镉 的氧化应激反应研究J.安全 与环境学报,2005,5(2):50-53.16Ying Jiaoyan,Yuan Hongli,L i Baozhen.The cadm iumresistance mechanis ms of Phoma strain J.China Environ2mental Science,2003,23(6):575-578.应娇妍,袁红莉,李宝珍.一株茎点霉菌的抗镉机制 J.中国环境科学,2003,23(6):575-578.(编辑 黄小川)421四川大学学报(工程科学版)第41卷