全 文 :北方园艺2016(09):75~78 植物·园林花卉·
第一作者简介:金忠民(1968-),女,博士,副教授,研究方向为环境
污染风险评估与修复。E-mail:492012666@qq.com.
基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(c201240);齐齐哈尔
大学创新资助项目(YJSCX2014-022X)。
收稿日期:2015-12-18
DOI:10.11937/bfyy.201609021
抗性菌株JB13强化高羊茅对铅镉的富集
金 忠 民,李 丹,潘 林,朱 琨,刘 丽 杰,赵 婧 彤
(齐齐哈尔大学 生命科学与农林学院,黑龙江 齐齐哈尔161006)
摘 要:以铅镉抗性菌株JB13和高羊茅为试材,采用植物微生物联合修复的方法,研究了
Pb、Cd抗性菌株(JB13)与高羊茅共同作用对Pb、Cd污染土壤修复的影响,以期得到高效修复重
金属的方法。结果表明:Pb、Cd对高羊茅的生物量有抑制作用,且对地上部的抑制作用高于地下
部,Cd对高羊茅生长的抑制作用强于Pb。高羊茅具有富集重金属的能力,Pb、Cd单一和共同污
染时地下部富集量优于地上部。抗性菌JB13能促进高羊茅对重金属的富集。
关键词:高羊茅;铅镉抗性菌株;重金属
中图分类号:S 688.4 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2016)09-0075-04
重金属污染在全球范围内受到极大的关注,重金属
污染土壤生态修复技术研究已成为多个科技领域的热
点和难点。重金属污染土壤类型多样,污染途径多,而
重金属污染土壤的修复是一个复杂的工程,单一的修复
技术很难达到预期效果,联合修复技术的应用可以弥补
单一技术的缺陷[1],如动物-微生物、植物-微生物、物化
方法-微生物等联合修复技术,以上几个方面是当今研究
的热点内容[2]。联合修复技术是利用超富集植物提取
受污染环境中污染物,其基本原理是利用植物及其根际
微生物体系对环境中的污染物进行吸收、降解、挥发及
转化,进而实现对污染环境的修复[3]。高羊茅(Festuca
arundinacea Schreb.)属羊茅属(Festuca)冷季型草坪草,
具有生物量大、生长迅速、抗逆性强等特点。研究表明,
高羊茅对土壤重金属有一定的吸收及耐受能力[4],但对
高羊茅用于修复复合重金属土壤污染的研究较少。赵
汝等[5]采用水培试验研究了转DREB1A高羊茅对铅的
吸附性与其耐受能力进行研究,结果表明,转基因高羊
茅在胁迫条件下可以有效提高对铅的富集与转运能力。
JIN等[6]研究了抗性菌株JB12与高羊茅和红三叶草吸
附重金属时能够增加植物生物量和铅、镉浓度,高羊茅
富集量比红三叶草要高。吴卿等[7]研究表明,种植高羊
茅对沉积物 Cr的去除率最好,Cr的去除率高达
61.44%;对Cd的去除率达43.01%;对Cu的去除率为
36.72%;对Ni的去除率为18.58%。可见,高羊茅对底
泥中重金属的污染有较好的修复效果。该研究从土壤
中筛选出对重金属Cd、Pb具有较强抗性的菌株,通过盆
栽试验研究菌株对高羊茅从污染土壤中吸收铅镉的影
响,比较2种处理方法对促进高羊茅富集铅镉的能力,
以寻找更加高效经济的修复措施,以期对重金属污染土
壤的可持续治理供科学借鉴。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 供试高羊茅种子 高羊茅种子采自沭阳县德盛
桂花种植园,挑选饱满的高羊茅种子,用蒸馏水洗净,种
子在播种前浸种12h,经2%次氯酸钠表面消毒后
播种[8]。
1.1.2 供试菌株 Pb、Cd抗性菌株JB13(由环境污染
风险评估与修复实验室筛选获得,经鉴定为路德维希肠
杆菌属),微生物均以菌液的形式添加,添加的浓度为2×
109 CFU/g。
1.1.3 供试土壤 采自黑龙江省扎龙湿地无Pb、Cd污
染区域,风干后过20目筛子后对土壤进行灭菌处理,
土壤中Pb、Cd的原始含量分别为45.86、36.37mg/kg。
一部分土壤添加Pb和Cd并充分混合老化6个月。另
一部分土壤不添加重金属用作对照。
1.1.4 供试试剂 Pb(NO3)2溶液、CdSO4溶液、95%酒
精及无菌水(以上的所有试剂均为分析纯)。
1.2 试验方法
1.2.1 高羊茅样品的处理 播种前,先将土壤灭菌处
理,装土约500g土/盆。将高羊茅的种子在常温下浸泡
12h后播种到花盆中,每盆50粒种子,置于自然光下温
室培养,生长期为45d[8]。得到的高羊茅分为地上和地
下2部分,先用自来水冲洗除去泥土和污物,再用蒸馏
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水冲洗,沥干水分后在105℃下杀青30min,最后于70℃
的烘箱中烘干,备用。用ICP-MS检测高羊茅植株内铅
和镉的浓度[9]。
1.2.2 试验设计 设计T试验组为单独盆栽试验组,
TJ试验组为微生物植物联合试验组。T0和TJ0为空白
对照组。1)高羊茅单独修复Pb、Cd污染土壤:将灭菌后
的高羊茅种子种植在老化过的土壤中,其中T1和T2为
单独铅污染,浓度分别为150mg/kg和300mg/kg;T3和
T4分别为单独镉污染,浓度分别为125mg/kg和
250mg/kg;T5和T6为铅镉共同污染的土壤,浓度为
150mg/kg Pb2++125mg/kg Cd2+和300mg/kg Pb2++
250mg/kg Cd2+。2)微生物与高羊茅共同修复Pb、Cd
污染土壤:将灭菌后的高羊茅种子种植在老化过的土壤
中,其中TJ1和TJ2为单独铅污染,浓度分别为150mg/kg
和300mg/kg;TJ3和TJ4分别为单独镉污染,浓度分别
为125mg/kg和250mg/kg;TJ5和TJ6为铅镉共同污
染的土壤,浓度为150mg/kg Pb2++125mg/kg Cd2+和
300mg/kg Pb2++250mg/kg Cd2+,共同修复的盆栽中
均加入50mL的菌液。
1.3 数据分析
采用Origin 8.6软件对数据进行处理和统计学
检验。
2 结果与分析
2.1 Pb、Cd污染对高羊茅生长的影响
由图1、2可以看出,随着Pb、Cd在土壤中浓度的增
加,高羊茅地上部和地下部生物量都随之降低,分别降
低了26.34%和11.27%,说明Pb、Cd重金属污染对高羊
茅的生长具有较强的抑制作用。在单一镉污染下高羊
茅的生物量比单一铅污染下少,说明Cd对高羊茅的生
长抑制作用大于铅的抑制作用。杨卓等[4]发现,高羊茅
和黑麦草在高浓度重金属离子毒害下,出现了叶片失
绿、萎蔫的症状,但仍能够完成其生育期,并存活下来。
在土壤中添加了菌株JB13菌液的试验组,高羊茅的生
物量随铅镉浓度的增加而减少,且幅度不明显。由此可
知,菌株JB13能够减轻重金属铅镉对高羊茅生长的抑
制作用。
2.2 高羊茅对重金属的吸附
2.2.1 Pb、Cd单独污染下高羊茅地上部和地下部的
Pb、Cd含量 由图3、4可知,在Pb单独污染下,随着Pb
浓度的增加,高羊茅地上部和地下部重金属的积累量随
之增加,但是地下部的积累量始终高于地上部。在Pb
浓度为300mg/kg时高羊茅地下部的积累量比地上部
高44.06%。随着土壤中Pb含量的继续增加,高羊茅地
上部和地下部Pb含量还有增加的趋势。由此说明,高
羊茅对土壤中污染的Pb有一定的耐受作用,同时高羊
图1 铅镉污染对高羊茅地上部分生物量的影响
Fig.1 The influence of Pb and Cd polution to
the tal fescue biomass on the ground
图2 铅镉污染对高羊茅地下部分生物量的影响
Fig.2 The influence of Pb and Cd polution to
the tal fescue biomass under the ground
图3 铅单独污染下高羊茅中的铅含量
Fig.3 The Pb content of tal fescue under
the only lead polution
图4 镉单独污染下高羊茅和土壤中的镉含量
Fig.4 The Cd content of tal fescue under
the only cadmium polution
茅对土壤中的铅有一定的吸收作用。刘爱荣等[10]试验
表明,在小于1 000mg/L的Pb胁迫下,高羊茅根和叶
中Pb含量和积累量均随Pb处理浓度的增加而迅速增
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加,且在相同浓度下,根部Pb含量和积累量大于叶中,
与该试验的结论一致。当Cd单独存在,高羊茅地上部
和地下部的Cd含量随着土壤中Cd含量的增加而增加。
在Cd浓度为250mg/kg时,高羊茅地下部的积累量比
地上部高83.18%。这可能是因为植物根通过离子交
换、质流运移和根毛表面接触等多种方式从土壤溶液中
摄取重金属,但根系内胚层对重金属元素的通透性较
低,当它们从根部向中柱迁移时就会受到内皮层凯氏带
的阻拦,导致植物吸收的重金属主要累积在根部[11]。
2.2.2 Pb、Cd共同污染下高羊茅地上部和地下部的
Pb、Cd含量 由图5可知,在Pb、Cd的复合作用下,高
羊茅地上部和地下部Pb、Cd含量随着土壤中Pb、Cd含
量的增加而增加。在相同的Pb、Cd含量下,高羊茅地下
部Pb、Cd的含量高于地上部。在Pb、Cd的复合污染下
高羊茅对Pb、Cd的吸附效果要比单一污染的吸附效果
差。这可能是因为离子毒性增加导致高羊茅生长发育
受阻。通过高羊茅的生长情况看,高羊茅对土壤Cd、Pb
复合污染具有一定的耐性,但高浓度的Pb、Cd负荷污染
对高羊茅的生长表现为严重的抑制作用。由此可见,高
羊茅对重金属的吸耐能力,为用其修复重金属污染的土
壤提供了可能。SUN等[12]应用18种野生植物修复土
壤中PAHs,其中根系较为发达的Pteris cretica对污染
物的吸收效率最高。
图5 铅镉双重污染下高羊茅铅镉含量
Fig.5 The Pb and Cd content of tal fescue under
the mixed polution
2.3 高羊茅-抗性菌株对重金属污染土壤的联合修复
2.3.1 高羊茅地上部和地下部Pb、Cd含量 从图6、7
可以看出,添加菌株对促进高羊茅富集Pb起到了较好
作用。单一Pb污染下添加JB13菌株对吸附Pb效果明
显,促进了高羊茅地上部、地下部对Pb的吸收。由于加
入的JB13菌株与高羊茅产生共生关系,所以有效地增
加了高羊茅对Pb的吸收能力。杨柳等[13]对土壤中Pb
用黑麦草进行处理,在其根系接种菌根真菌后,植物中
Pb的累积量提高了50%。在单一Cd污染的土壤中,在
Cd浓度较低条件下所添加的JB13优势不明显。TAK
等[14]提出,将植物根际促生菌联合植物修复土壤中重金
属可提高植物修复的效率,可以进行深入研究。WEY-
ENS等[15]应用杨树幼苗修复土壤中Ni-TCE复合污染
的试验中发现,接种假单胞菌的修复效率比不接种的修
复效率高45%。
图6 铅单独污染下添加菌后高羊茅铅含量
Fig.6 The Pb content of fungus-added tal fescue under
the only Pb polution
图7 镉单独污染下添加菌后高羊茅镉含量
Fig.7 The Pb content of fungus-added tal fescue under
the only Cd polution
图8 铅镉的双重污染下添加菌后
高羊茅铅镉含量
Fig.8 The Pb and Cd content of fungus-added tal fescue
under the mixed Pb and Cd polution
2.3.2 Pb、Cd污染土壤的联合修复 由图8可知,添加
微生物高羊茅对Pb、Cd积累在一定程度上有很大的促
进作用。在重金属污染的处理过程中,微生物-高羊茅的
联合作用比高羊茅单独作用效果更加明显,彼此之间产
生协同作用,在一定程度上促进高羊茅对铅、镉的吸收。
杨卓[16]研究表明,添加抗重金属菌株,能够促进高羊茅
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的生长,促进土壤中Pb、Cd、Zn的活化,增强高羊茅对Pb、
Cd、Zn提取量,提高高羊茅的吸附效果。江春玉等[17]将
筛选得到的抗Cd菌株接种到含Cd浓度为200mg/kg
的土壤中并种植番茄进行富集试验,结果表明,接种的
植株比不接种的植株其有效Cd含量及植株吸收Cd含
量同比增加46.3%和107.8%。
3 结论
微生物-植物修复联合修复充分发挥植物与微生物
修复的各自优势,利用植物和微生物的共存体系提高植
物修复效率。该试验研究了高羊茅对Pb、Cd的富集特
征,利用Pb、Cd抗性菌株JB13和高羊茅对Pb、Cd污染
土壤进行组合修复。该研究结果表明,菌株JB13能促
进高羊茅生物量增加(P<0.05)。高羊茅对重金属有一
定的吸附能力,且地下部的吸附量高于地上部。菌株
JB13与高羊茅联合吸附土壤中的重金属,高羊茅的地下
部积累量高于地上部。高羊茅对单一重金属污染土壤
的修复能力强于复合重金属污染土壤的修复能力。综
合分析可以看出,高羊茅与抗性菌株JB13联合时富集
重金属能力强于高羊茅单一富集重金属的能力。
参考文献
[1] 刘刊,王波,权俊娇,等.土壤重金属污染修复研究进展[J].北方园
艺,2012(22):189-194.
[2] 王伟霞,李福后,王文锋,等.微生物在土壤污染中的生物修复作用
[J].北方园艺,2010(4):208-211.
[3] DMUCHOWSKI W,GOZDOWSKI D,BRGOSZEWSKA P,et al.Phy-
toremediation of zinc contaminated soils using silverbirch(Betula pendula
Roth)[J].Ecological Engineering,2014,71:32-35.
[4] 杨卓,王伟,李博文,等.高羊茅和黑麦草对污染土壤Cd、Pb、Zn的富
集特征[J].水土保持学报,2008,22(2):83-87.
[5] 赵汝,韩烈保,曾会明.铅胁迫下转Dreb1a高羊茅对铅的吸收与耐受
性研究[J].中国草地学报,2010,32(2):54-60.
[6] JIN Z M,SHA W,ZHANG Y F,et al.Isolation of Burkholderia cepacia
(JB12)from lead and cadmium-contaminated soil and its potential in promo-
ting phytoremediation with tal fescue and red clover[J].Canadian Journal of
Microbiology(SCI),2013,59(7):449-455.
[7] 吴卿,高亚洁,李东梅,等.高羊茅对河道底泥中复合重金属污染的
修复[J].水土保持学报,2012,26(6):219-223.
[8] 金忠民,沙伟,刘丽杰,等.铅镉抗性菌株JB11强化植物对污染土壤
中铅镉的吸收[J].生态学报,2014,34(11):2900-2906.
[9] 曹灿.ICP-AES法测定蔬菜和土壤中的As、Cd、Pb、Cr、Zn及污染程
度评价的研究[D].长沙:中南大学,2012.
[10]刘爱荣,张远兵,张雪平,等.铅污染对高羊茅生长、无机离子分布和
铅积累量的影响[J].核农学报,2009,23(1):128-133.
[11]LIU D H,JIANG W S,LIU C J,et al.Uptake and accumulation of lead
by roots,hypocotyls and shoots of Indian mustard(Brassica juncea)[J].
Bioresource Technology,2000,71(3):273-277.
[12]SUN L,LIAO X Y,YAN X L,et al.Evaluation of heavy metal and pol-
ycyclic aromatic hydrocarbons accumulation in plants from typical industrial
sites:Potential candidate in phytoremediation for co-contamination[J].
Environmental Science and Polution Research,2014,21:12494-12504.
[13]杨柳,李广枝,童倩倩,等.Pb2+、Cd2+胁迫作用下蚯蚓、菌根菌及
其联合作用对植物修复的影响[J].贵州农业科学,2010,38(11):156-
158.
[14]TAK H I,AHMAD F,BABALOLA O O.Advances in the application
of plant growth-promoting rhizobacteria in phytoremediation of heavy metals
[J].Reviews of Environmental Contamination and Toxicology,2013,223:33-
52.
[15]WEYENS N,BECKERS B,SCHELLINGEN K,et al.The potential of
the Ni-Resistant TCE-Degrading pseudomonas putida W619-TCE to reduce
phytotoxicity and improve phytoremediation eficiency of poplar cuttings on a
Ni-TCE co-contamination[J].International Journal of Phytoremediation,2015
(17):40-48.
[16]杨卓.Cd、Pb、Zn污染潮褐土的植物修复及其强化技术研究[D].保
定:河北农业大学,2009.
[17]江春玉,盛下放,何琳燕,等.一株铅镉抗性菌株WS34的生物学特性
及其对植物修复铅镉污染土壤的强化作用[J].环境科学学报,2008,28
(10):1961-1968.
Resistant Strains of JB13 Enhanced Enrichment of Lead and Cadmium in Tal Fescue
JIN Zhongmin,LI Dan,PAN Lin,ZHU Kun,LIU Lijie,ZHAO Jingtong
(Colege of Life Science and Agruiculture and Forestry,Qiqihar University,Qiqihar,Heilongjiang 161006)
Abstract:In order to find a more efective way of the restoration of heavy metal contaminated soil,Pb,Cd resistant strain
(JB13)combined with Festuca arundinace was used as the experimental material,the efects of the combined-restoration
of plant with microbes were studied.The results showed that the biomass of the Festuca arundinace was decreased by
Pb,Cd and the inhibition was stronger of the above-ground parts of the plants than that of the under-ground parts and the
inhibition of Cd to the Festuca arundinace was stronger than that of the Pb.The ability to accumulate the single heavy
metal Pb or Cd as wel as the combined heavy metal Pb and Cd was both stronger of the above-ground parts of Festuca
arundinacethan that of the under-ground parts.Pb,Cd resistant strain(JB13)could improve the ability of the accumulation
of heavy metals of the Festuca arundinace.
Keywords:tal fescue;Pb and Cd resistant strain;heavy metal
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