全 文 ：　[收稿日期] 　2010-01-17;2010-01-25修回
　[基金项目] 　云南省自然基金项目“重金属污染中 3种水生植物的毒害机理研究”(2008ZC161M)
　[作者简介] 　李淑英(1973-),女 ,讲师 ,从事微生物教学及研究工作。
　＊通信作者。
[ 文章编号] 1001-3601(2010)03-0153-0079-04
重金属胁迫下大薸根际微生物的变化
李淑英 , 周元清＊ , 陈 艳 , 史云东
(玉溪师范学院 资源环境学院 , 云南 玉溪 653100)
　　[摘　要] 为了研究重金属对大薸根际微生物区系及氮循环细菌生理类群的影响 ,采用水培养方法 ,用4
种重金属离子(Hg 2+ 、Pb2+ 、Cd2+和 Cr6+),在不同浓度下对大薸进行胁迫培养 。结果表明 , Hg2+ 、Pb2+ 、
Cd2+和 Cr6+对大薸根际微生物的影响 ,随微生物区系或生理类群和重金属的胁迫浓度不同而不同 , Hg 2+对
放线菌 、细菌 、真菌的毒性最强 ,Pb2+次之。3类微生物对 4种重金属的敏感性表现为放线菌>细菌>真菌。
在 4种不同重金属和不同浓度胁迫下 ,氨化细菌 、硝化细菌 、亚硝化细菌和反硝化细菌的变化有一定差异 。[关键词] 重金属;胁迫;微生物;大薸[中图分类号] X172 [文献标识码] A
The Rhizospheric Microbial Changes of Pistia
stratiotes under Heavy Metal Stress
LI Shu-y ing , ZHOU Yuan-qing ＊ , CHEN Yan , SHI Yun-dong
(College of Environmental Resources , Yuxi Normal University , Yuxi , Yunnan 653100 , China)
　　Abstract:Aquaculture sy stem w ere applied to study 4 dif ferent heavy metals Hg 2+ , Pb2+ , Cd2+ and
C r
6+
in different concentrations to cultivate Pistia st rat iotes unde r st ress to study the ef fect of heavy metals
on rhizospheric microbial of P.strat iotes and the ni t ro gen cycle bacteria populat ion.Results show ed that
the ef fects of Hg 2+ , Pb2+ , Cd2+ and Cr6+ to P.stratiote rhizospheric microbes w ere different along w i th
the changes of st ress concentra tion of the metals.Hg2+ had the strongest toxici ty on actinomycetes ,
bacteria and fung i , the fo llow ing w as Pb2+.The sensit ivity reflection orde r o f 3 microbes to 4 heavy metals
w as actinomycetes > bacte ria > fung i.The changes of ammonif icat ion bacteria , ni trobacteria ,
nit ro sobacte ria and deni trifying bacteria w ere di fferent under 4 dif ferent heavy metals and different stress
concentrations.
Key words:heavy me tal;st ress;microbial;Pistia strat iotes
　　重金属污染现已成为危害最大的水污染问题之
一[ 1] 。在重金属的作用下 ,微生物受到毒害 ,但某些
微生物在较高浓度的重金属污染环境中 ,仍能存活
和生存 ,表现出一定的“耐受性”[ 2] ,微生物能降低重
金属的毒性[ 3] 。俞慎[ 4] 认为 ,解毒机制是通过根系
分泌物来刺激或激活根际微生物(细菌 ,内 、外生菌
根 ,其他真菌等),使其分泌酶蛋白质等物质直接或
间接地“钝化”重金属 。A oi , T .etal[ 5] ,滕应等[ 6] 研
究认为 ,环境中重金属的加入 ,对微生物种类 、活性
产生作用 ,重金属会影响植物根系的细菌 、真菌 、放
线菌等微生物的生长数量 。通常情况下 ,受重金属
胁迫后微生物会产生两个明显的效应:一是不适应
生长的微生物数量会减少或绝灭;二是适应生长的
微生物数量会增加或积累 。在低浓度下 ,重金属对
微生物数量一般有刺激作用 ,而在高浓度下则有抑
制作用。汞 、镉 、铅 、铬 、砷等重金属胁迫后还能对固
氮菌 、解磷细菌 、纤维分解菌等细菌起抑制作用[ 7] ,
且微生物对各种污染物的胁迫响应较植物(作物)更
为灵敏[ 8] 。氮循环是微生物特有的过程[ 9] ,其主要
在氨化 、硝化 、亚硝化及反硝化细菌的作用下完成。
在重金属胁迫下 ,与氮素循环有关的硝化和反硝化
作用也受影响 ,WIL KE B M [ 10] ,王嘉等[ 11] 研究认
为 ,试验室中的硝化作用对重金属较敏感 ,而不同重
金属的反硝化作用敏感性不相同 。
2009年 7月 ,笔者选用 4种重金属离子(Pb2+ 、
Hg2+ 、Cd2+和 Cr6+)在水培条件下对大薸(P ist ia
stratiote)进行胁迫培养 ,用常规方法培养计数胁迫
后大薸根际 3类微生物和与氮循环细菌的数量变化
特点 ,探讨 4种重金属对常见微生物的毒性及各类
微生物对不同重金属的敏感性 ,从微生物生态角度 ,
探索重金属对微生物的作用特点 。
1 材料与方法
1.1 试验材料
大薸(Pistia strat iote):采自云南星云湖 ,系天
南星科 ,多年生漂浮型水生草本植物 ,多生于湖泊 、
池塘 、水渠等水质肥沃的静水或缓流水中 ,为外来物
种 ,有发达的根系和极强的耐污能力 ,是一种观赏植
　贵州农业科学　2010 , 38(3):79 ～ 82　Guizhou Ag ricultural Science s
物[ 10] 。重金属离子:Pb2+ 、Hg2+ 、Cd2+和 Cr6+。
1.2 试验设计
采用水培方法 ,用 4种重金属离子 ,在不同浓度
下对大薸进行胁迫培养 ,然后取大薸根系进行微生
物培养并计数 。大薸在胁迫培养前用自来水驯化
7d ,然后用 PbCl2(A.R)、CdCl2(A.R)、K2 Cr2O 7
(A.R)、HgCl2(A.R),使 Pb2+ 、Cd2+ 、Hg2+和 Cr6+
浓度梯度为 5mg/ L 、10mg/L 、15mg/L 、20mg/ L 、
50mg/L 和 80mg/L(以纯 Pb2+ 、Cd2+ 、Cr6+ 、Hg2+
计)的荷兰氏营养液(见表)胁迫培养 6d ,每处理设
3个重复。全部材料置于智能人工气候箱(GXZ)中
培养 , 光照周期为 12h/12 h , 温度周期为 25℃/
18℃,光照强度为 184 62 lx 。在 3个重复中随机称
取大薸的根 1 g ,先用无菌水洗涤 ,再用灭菌纸吸干
水分后置于 99mL 无菌水中 ,于 30℃、180 r/min的
恒温摇床上摇24h ,按10倍梯度稀释至10-8 ,取相
表 荷兰氏营养液配方
Table H oag land medium formula
元素 浓度及试剂 加入量/(m L/ L) 元素 浓度及试剂 加入量/(m L/ L)
大量元素 1 mol/ L KH2PO 4 1 微量元素 2.86 g/ L H3BO 3 1
1 mol/ L KNO 3 5 1.81 g/ L M nCl 2 · 4H2O 1
1mol/ L Ca(NO3)2 5 0.22 g/ L ZnSO4 · 7H2O 1
1mol/ L MgSO 4 2 0.08 g/ L CuSO 4 · 5H2 1
应梯度的菌悬液进行微生物接种培养。
1.3 微生物区系及微生物生理类群测定
好氧细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养 ,放线菌
采用改良高氏Ⅰ号培养基培养 ,真菌采用马丁氏培
养基培养 ,硝化菌培养基采用改良斯蒂芬逊培养基
培养 ,氨化菌采用蛋白胨培养基培养。好氧细菌 、放
线菌 、真菌 、氨化菌用稀释平板计数法计数;硝化菌 、
亚硝化菌和反硝化菌用 MPN 计数法计数。
2 结果与分析
2.1 重金属胁迫下大薸根际微生物区系的变化
王嘉等[ 11] , Laurent M arilley , et al[ 12] 研究表
明 ,重金属可以改变微生物的数量和区系结构 、生理
类群和生理生化反应 ,同时微生物也通过调节其结
构和生理状况 ,或者形成能在自然环境中广泛传播
的质粒 ,完善遗传基因 ,以适应不良环境 。不同的微
生物对重金属的敏感程度不同 ,施晓东[ 13] 认为 ,其
敏感性大小放线菌>细菌>真菌 ,但 HIROKI M [ 14]
认为 ,其敏感性大小真菌>细菌>放线菌。不同的
重金属对微生物的毒性不一样 ,杨晔等[ 2] 研究表明 ,
金属阳离子的毒性顺序:Ag >Hg>Cu>Cd>Cr >
Ni>Co>Zn ,并指出这种顺序可因生物种类的不同
而略有差异。段学军等[ 15] 认为:不同微生物区系对
重金属的敏感程度不同 ,其敏感性顺序一般为细菌>
放线菌>真菌;不同重金属种类对微生物的毒性效应
不同 ,一般为 Hg>Cd>Al>Pb>Fe>Cu>Zn。
2.1.1 大薸根际好氧性细菌的数量变化 从图 1
可以看出 ,细菌对 4种重金属的敏感性不同 ,低浓度
状态下 ,Pb2+和 Hg2+对细菌的毒性明显 ,细菌的数
量明显降低 ,而 Cd2+和 C r6+在低浓度下对细菌的
生长有刺激作用 ,当浓度升高至 20mg/L 时 , Pb2+ 、
Hg2+和 C r6+胁迫下细菌的数量明显减少 ,抑制作
用明显 ,抑制率分别为 98%、99%和 77%;而 Cd2+
在高浓度状态下细菌数量增加 。说明 ,高浓度的
Cd2+使大薸根系产生了更多的耐 Cd2+好氧细菌 ,与
图 1 重金属胁迫下好氧性细菌数量变化
　　　　Fig.1　Numbe r changes o f aerobic bacteria
unde r heavy metal stress
尹军霞[ 16] ,Baath E[ 17] ,Duxbury[ 18] 的研究相符 。本
试验中 ,低浓度时细菌对 4种重金属的敏感性表现
为 Hg 2+>Pb2+ >Cd2+ >Cr6+ ,与杨晔等[ 2] 的研究
结果相似。
2.1.2 大薸根际放线菌的数量变化 从图 2可以
看出 , Pb2+ 、Hg2+和 Cr6+在 5mg/L 、10mg/L 和
15mg/L 时对放线菌的抑制作用明显 , 3 中重金属
对放线菌的毒性强弱表现为 Hg2+ >Pb2+ >Cr6+ ,
Cd2+在低浓度时有一定的刺激作用(5 ～ 15mg/ L),
随着浓度的增加刺激作用越来越明显 ,最高时达到
8.5倍 ,与尹军霞[ 16] 的研究结果相同 。说明 , Cd2+
刺激放线菌的临界浓度约为 50mg/ L ,同时说明 ,大
薸根际的放线菌对高浓度的 Cd2+有较强的抵抗力。
放线菌对 4种金属的敏感性表现为 Hg2+ >Pb2+>
Cr6+>Cd2+。
2.1.3 大薸根际真菌的数量变化 从图 3可以看
图 2 重金属胁迫下放线菌数量变化
　　　　Fig.2　Numbe r changes o f actinomycetes
unde r heavy metal stress
·80· 　　　　　　　　　　　　 　　　　贵 州 农 业 科 学 2010 , 38 卷
出 ,真菌对 Pb2+和 Hg2+较敏感 , 2种重金属离子在
不同浓度下对真菌都具抑制作用 ,Cd2+在低浓度时
对真菌起到抑制作用 ,高浓度时起刺激作用 ,当浓度
达到 80mg/ L时刺激作用最强 ,说明真菌对其有较
高的耐受性 ,其耐受能力可能还会更高;Cr6+对真菌
的生长一直起刺激作用 , 其作用的最高浓度为
50mg/L ,表明真菌对 Cr6+也有较高的耐受能力 ,
Baath E[ 17] 认为 ,这可能是初级真核生物对环境的
适应力和抗逆性要强于细菌和放线菌这些原核生物
所致 。罗素群等[ 19] 研究表明 ,真菌能吸附重金属 ,
因而能忍耐高浓度的重金属而生长 ,但本试验中 ,真
菌在 Pb2+和 Hg2+的胁迫下却没有这种情况 ,原因
有待进一步研究 。
图 3 重金属胁迫下真菌数量变化
　　　　Fig.3　Number changes of fungi unde r
heavy me tal stress
　　本研究表明 ,大薸根际的 3 类微生物对本试验
所选择的 4 种重金属表现出来的敏感性有一定差
异 , Hg 2+对 3类微生物的毒性最强 , Pb2+次之 ,而 3
类微生物对 Cd2+ 、Cr6+ 2种重金属的敏感性没有表
现出明显的规律性 。总体而言 , 3类微生物对 4 种
重金属的敏感性表现为放线菌>细菌>真菌 。
2.2 大薸根际氮循环细菌数量的变化
2.2.1 大薸根际氨化细菌数量的变化 从图 4可
以看出 ,Pb2+对氨化细菌始终表现为抑制 ,浓度越
高抑制作用越强 , Hg2+在 50mg/ L 以下时对氨化细
菌表现为抑制 ,与李梅等[ 20] 的研究结果相同;Cd2+
和 Cr6+对氨化细菌表现为刺激作用 ,当浓度达到 80
mg/ L 时刺激作用较强 ,与尹军霞等[ 16] ,李梅等[ 20]
的研究结果不一致 ,这可能与环境的改变有关 ,正常
状态下的土壤为微生物构建了一个良好的生存环
境 ,一旦该土壤受到重金属污染 ,对氨化细菌的影响
较大 ,表现为抑制作用 。本试验中采用水培方法进
行胁迫 ,不受土壤环境的影响 ,只是大薸根际为氨化
细菌的生长提供了条件 ,这可能是在微生物的作用
下 ,2种重金属离子存在形式的转变 ,对氨化细菌的
毒性减弱所致 ,具体原因需进一步研究。
2.2.2 大薸根际硝化细菌数量的变化 从图 5可
知 ,4种重金属离子对大薸根系硝化细菌的作用没
有明显的规律性 ,5mg/L 时皆有一定的刺激作用 ,
随着浓度的变化呈现波动。Pb2+ 、Hg 2+在低浓度时
对硝化细菌起刺激作用 ,浓度达到 10mg/L 时刺激
作用最强;Cr6+对硝化细菌始终表现为刺激作用;
Cd2+对硝化细菌数量的影响呈现波动特点 , 在
10mg/L 处有抑制 ,在 50mg/L 时表现出较强的刺
激作用 。当 4种重金属的浓度达到 80mg/L 时对硝
化细菌均表现为抑制 ,与 Baath E[ 17] ,李梅等[ 20] 的
研究结果相似。
2.2.3 大薸根际亚硝化细菌数量的变化 从图 6
可知 , 4种重金属离子对亚硝化细菌的抑制作用明
·81·　第 3 期 李淑英 等　重金属胁迫下大薸根际微生物的变化
显 ,其中 Pb2+在浓度为 15mg/ L , Cr6+在浓度
10mg/L 时对亚硝化细菌有一定的刺激作用 ,其他
2种重金属及 4种重金属高浓度时则表现出没有规
律的抑制作用;Cr6+在浓度为 80mg/L 数量增加 ,
亚硝化细菌对高浓度的 Cr6+有一定的耐受性 。
2.2.4 大薸根际反硝化细菌数量的变化 从图 7
可以看出 ,反硝化细菌对 4种重金属的敏感性差异
较大 ,Pb2+胁迫后对大薸根际反硝化细菌的数量变
化影响不大;Hg 2+在高浓度时对氨化细菌有较强的
刺激作用 ,其他浓度下作用不明显;低浓度的 Cr6+
和 Cd2+对氨化细菌有刺激作用 ,随着浓度的增加 ,
C r
6+和 Cd2+对反硝化细菌的刺激作用逐渐降低 ,与
闵航[ 21] 的研究结果一致。
3 结论
3.1 细菌 、真菌和放线菌对 4种重金属和相同重
金属不同浓度的敏感性不同
在 4种重金属中 , Hg2+和 Pb2+对 3类微生物
(细菌 、真菌和放线菌)始终表现为抑制作用 , 说明
Hg2+和 Pb2+对微生物的毒性较强;Cd2+和 Cr6+对
3类微生物的毒性相似 ,呈现一定的波动性 ,这是微
生物间的复杂关系导致种群结构发生变化所致;大
薸根际的 3类微生物对本试验所选择的 4种重金属
表现出来的敏感性有一定差异 。总体而言 , 3 类微
生物对 4种重金属的敏感性表现为放线菌>细菌>
真菌 。
3.2 氨化细菌 、硝化细菌 、亚硝化细菌和反硝化细
菌对 4种重金属和相同重金属不同浓度的敏感性不
同
在重金属胁迫下 ,与氮素循环有关的 4类微生
物的数量和对 4种重金属的敏感性呈现各自特点:
氨化细菌对 4 种重金属的敏感性表现为 Hg2+ >
Pb2+>Cd2+≌Cr6+ ,高浓度的 Cd2+和 Cr6+可以刺
激氨化细菌的增殖;硝化细菌对 4种重金属的敏感
性表现出较大的波动性 ,随着浓度的增加 ,表现为
Hg2+>Pb2+ >Cd2+ >C r6+ ,低浓度时(10mg/L)
Hg2+和 Pb2+对硝化细菌有刺激作用;亚硝化细菌
对 4种重金属没有明显的规律性 ,基本表现为抑制
作用;反硝化细菌对 4种重金属的敏感性差异较大 ,
低浓度的 Cr6 +和 Cd2+对氨化细菌有刺激作用 ,
Hg
2+在高浓度时对氨化细菌有较强的刺激作用 ,其
他浓度下作用不明显 。
[ 参 考 文 献]
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(责任编辑:冯　卫)
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