微生物提高植物修复砷污染土壤的效果和机理研究

【摘要】： 砷是自然界中分布广泛的类金属元素,其化合物是常见的有害物质,能引起多种疾病,甚至癌变。环境治理中,砷属于优先控制的污染物。目前,采用植物和微生物联合修复污染土壤日益受到学术界的重视,在实验室和小规模的现场修复实验中也取得了一定效果。微生物影响砷的环境行为,大量的研究揭示了植物根际微生物—植物的联合作用在植物养分吸收和抗污染胁迫中的重要作用,但微生物—植物的相互作用对于提高植物砷污染修复的效果和机制尚不清楚。本文以砷超积累植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)、粮食作物小麦(Triticum aestivum L.)和油料作物油菜(Brassica napus L)为供试材料,研究了盆栽和田间条件下施用不同砷酸还原菌和接种AM真菌对植物砷吸收能力的影响,探索不同外源菌对植物吸收利用砷、土壤根际砷形态转化和生物有效性影响的机制,以期为提高植物—微生物联合修复砷污染土壤和抑制农作物吸收砷、保证农产品安全提供技术支撑。主要研究结果如下: 1.研究了砷酸还原菌对不同植物生长、吸收积累砷和修复砷污染土壤的效果。结果表明:施用砷酸还原菌明显促进了超积累植物蜈蚣草的生长和对砷的吸收。生物重和吸砷量分别增长了93%～290%和13%～110%,蜈蚣草对砷污染土壤的修复效率提高了67%～478%,其中以PSQ菌剂的效果最显著。这表明施用砷酸还原菌是提高蜈蚣草修复砷污染土壤的有效措施。施用砷酸还原菌促进粮食作物小麦生长,其中以PSQ22的促进效果最显著,比对照提高76%,而Z8和Ts41菌剂显著抑制小麦吸收和积累砷,分别降低了24%和36%。在砷污染土地上种植小麦,利用抑制其吸收积累砷的砷酸还原菌将是一种必要的措施和安全保证。施用砷酸还原菌对油菜的生长没有明显影响,但促进了油菜对砷的吸收和累积,其中D5和Ts41菌剂分别显著促进油菜吸收和积累砷增加量为42%和28%。 2.研究了菌根真菌对不同植物生长、吸收积累砷和修复砷污染土壤的效果。结果表明:接种菌根促进蜈蚣草的生长和砷的积累,并提高蜈蚣草修复砷污染土壤的效率。接种AM真菌的蜈蚣草生物重、积累砷量和修复效率分别增长了78%～274%、39%～337%和40%～320%,其中以XZ03B菌根的促进效果最显著。接种AM真菌促进小麦生长、吸收和积累砷。与不接种AM真菌的对照相比,效果最显著的是SC01A、Gi和SC01A,增加小麦生物重、吸收砷和累积砷量分别达45%、96%和120%。 3.研究了施用砷酸还原菌和接种菌根对土壤砷有效性的影响。结果表明:施用砷酸还原菌对小麦根际土壤有效砷无显著影响,但提高了耐砷作物油菜和超积累植物蜈蚣草根际土壤砷的生物有效性。与不施菌的对照相比,PSQ和Ts41菌剂分别增加蜈蚣草和油菜根际有效砷含量20%和25%。接种AM真菌增强了土壤As的生物有效性,其中XZ02B菌根和XZ03B菌根分别显著提高了蜈蚣草和小麦根际土壤有效砷浓度,比对照增长了约30%和50%。对施用砷酸还原菌对土壤砷形态影响的测定表明,施用砷酸还原菌后土壤有效态砷含量,包括土壤松散态As、铁结合态As等形态显著提高。 4.研究了施用砷酸还原菌和接种菌根对土壤蔗糖酶活性的影响。结果表明:施用砷酸还原菌显著降低砷超积累植物蜈蚣草和耐砷作物油菜根际土壤中的蔗糖酶活性,且PSQ22处理效果均最显著。与不施菌的对照相比,蜈蚣草和油菜根际土壤蔗糖酶活性分别降低了26%和23%。对粮食作物小麦,施用砷酸还原菌D5和Ts41分别显著增加和减少了蔗糖酶的活性,幅度均为30%。接种AM真菌,效果最明显的BJ04B和XZ03B处理,分别提高和降低蜈蚣草蔗糖酶活性约50%和20%,Gig.m和USA06处理分别提高和降低小麦蔗糖酶活性约20%和35%。 5.研究了施用砷酸还原菌和接种菌根对土壤脲酶活性的影响。结果表明:对粮食作物小麦和油料作物油菜,施用砷酸还原菌提高了小麦根际土壤脲酶活性,但却降低了油菜根际土壤脲酶活性,增降幅度均约为30%。此外,简单相关分析发现,施用砷酸还原菌的油菜根际脲酶活性与土壤有效砷浓度显著负相关。与不施菌的对照相比,效果最明显的Ts41和PSQ砷酸还原菌分别提高和降低了蜈蚣草根际土壤脲酶活性为18%和15%。接种AM真菌显著影响蜈蚣草和小麦根际脲酶活性,效果最明显的是NM03A和XZ02B,分别提高和降低蜈蚣草脲酶活性约80%和30%,USA06和Gi分别提高和降低小麦脲酶活性约25%和55%。通过简单相关分析发现,接种AM真菌的小麦根际脲酶活性与植物地上部干重显著负相关。 6.研究了施用砷酸还原菌和接种菌根对土壤中性磷酸酶活性的影响。结果表明:施用砷酸还原菌提高蜈蚣草和小麦根际土壤中性磷酸酶活性,增长量分别为19%和43%,两种植物均是Ts33菌剂处理效果最显著;Ts37和Ts41处理显著降低蜈蚣草和小麦土壤中性磷酸酶活性,降幅分别为30%和40%。同时,施用砷酸还原菌显著降低了油菜根际土壤中性磷酸酶活性,PSQ22处理效果最显著,降幅达20%。接种AM真菌,显著降低了蜈蚣草根际中性磷酸酶活性,但增加了小麦土壤中性磷酸酶活性,增降幅度均约为25%。 7.通过大田试验,研究了砷酸还原菌对蜈蚣草生长、修复砷污染土壤影响和实用价值。结果表明:在田间实验条件下,施用砷酸还原菌剂显著促进蜈蚣草的生长发育,提高蜈蚣草的砷累积量,植物干重和砷累积量分别增长了约50%和113%。蜈蚣草对砷污染土壤的修复效率提高了35%～103%。根际土壤微生物量增长了65%～300%,土壤根际微生物活性增高达到显著水平。另外,施用砷酸还原菌还大幅度减少了砷的淋溶,砷含量减少了29%～71%,对保证地下水的安全具有重要意义。